22/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 GRANULOWANE MATERIAŁY POMOCNICZE DLA METALURGII W BADANIACH ICHPW K. KUBICA 1, Z. ROBAK 2, J. ROBAK 3 Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, 41-803 Zabrze, ul. Zamkowa 1 STRESZCZENIE Przedstawiono możliwość produkcji materiałów pomocniczych o wysokiej zawartości węgla z surowców o charakterze produktu ubocznego lub wręcz odpadu. Atutem tego rodzaju materiałów pomocniczych może być, przy zachowaniu niezbędnych parametrów jakościowych, cena niższa, niż ceny oferowanych aktualnie na rynku analogicznych produktów. Metodą, pozwalającą na przystosowanie postaci fizycznej surowców do postaci wygodnej w użytkowaniu, oraz dobór odpowiedniego ich składu chemicznego jest granulowanie. Doświadczenia Instytutu w tym zakresie przedstawiono na przykładzie granulatu o właściwościach redukcyjnych. Key words: metallurgy, carbon materials, waste, pelletisation. 1. WPROWADZENIE Ze względu na swoje specyficzne właściwości węgiel znajduje szerokie zastosowanie w metalurgii jako reagent chemiczny lub materiał pomocniczy. Z tego asortymentu można wymienić: nawęglacze, reduktory, pudry odlewnicze na bazie grafitu, pokrycia ochronne na formy i rdzenie, zamienniki sadzy acetylenowej, zasypki smarujące, zasypki izolujące, spoiwa do mas rdzeniowych i formierskich, komponenty wkładów wlewnicowych, nośniki węgla błyszczącego, spieniacze żużla, odtleniacze. Materiały te są produkowane głównie na bazie antracytu lub koksu. W wielu dziedzinach przemysłu, w których wykorzystuje się materiały pochodzenia węglowego, pozostają do dyspozycji pewne ilości produktów odpadowych o dużej zawartości węgla. Nie zawsze można je zawrócić do procesu lub znaleźć inną pros tą drogę ich utylizacji; 1 Dr inż., kkub@ichpw.zabrze.pl 2 Dr inż., robal@ichpw.zabrze.pl 3 Dr inż., jrobak@ichpw.zabrze.pl
146 wtedy są one składowane, stanowiąc element obciążający środowisko naturalne. Z uwagi na konieczność minimalizacji ilości odpadów, wprowadzane powszechnie Systemy Zapewnienia Jakości, narzucają dla każdego z wytwarzanych odpadów konieczność określenia metody ich zużytkowania lub utylizacji ekologicznej, mając poza tym na uwadze dążenie do poprawy efektywności ekonomicznej działalności produkcyjnej, poszukuje się metody rewaloryzacji odpadów do pełnowartościowych materiałów użytkowych [1]. Jedną z dróg tego rodzaju dla produktów zawierających węgiel może być przetwarzanie ich na materiały pomocnicze dla metalurgii, na które występuje realne zapotrzebowanie. Celem badań prowadzonych w IChPW była modyfikacja fizycznej postaci produktów odpadowych w kierunku uzyskania z nich materiałów pomocniczych dla metalurgii o odpowiednich parametrach technologicznych, między innymi takich jak: zawartość węgla, właściwości izolacyjne, płynność, gęstość nasypowa, zawartość wilgoci, a także skład chemiczny. 2. GRANULOWANIE JAKO METODA TECHNOLOGICZNA Zbyt duży stopień rozdrobnienia lub zbyt duży rozrzut uziarnienia wielu surowców, półproduktów i produktów są przyczynami trudności lub wręcz niemożności ich dalszego stosowania. Nadmierne rozdrobnienie jest przyczyną emisji pyłów, rzutującej zarówno na warunki pracy zatrudnionych pracowników, jak i na całkowitą ilość zanieczyszczeń emitowanych przez zakład produkcyjny. Ponadto, nadmierne rozdrobnienie w wielu przypadkach jest przyczyną utrudnień, objawiających się w problemach związanych z transportem, dozowaniem i realizacją szeregu operacji technologicznych. Odpowiedzią na przedstawione powyżej problemy jest rosnące zainteresowanie operacjami technologicznymi, których celem jest powiększenie rozmiaru cząstek. Procesy te nazywane są procesami aglomeracji lub kompaktowania materiałów [2,3], a mogą być im poddawane zarówno pojedyncze materiały, jak i ich mieszaniny. Powiększenie rozmiaru cząstek materiału lub uzyskanie frakcji o wąskim zakresie uziarnienia niesie z sobą wiele korzyści. Należą do nich między innymi [2]: zwiększenie gęstości nasypowej materiału, poprawa zdolności zwilżania materiału, zmniejszenie skłonności do segregacji, ograniczenie pylenia, ułatwienie dozowania materiałów skompaktowanych, podniesienie wartości użytecznej produktu. Do trzech podstawowych sposobów aglomeracji należą: spiekanie, prasowanie i granulowanie (paletyzacja). Do podstawowych technik aglomerowania przez prasowanie należy proces brykietowania, polegający na formowaniu materiału drobnoziarnistego w większe formy geometryczne pod wpływem wysokiego ciśnienia. Zaletą procesu brykietowania jest przede wszystkim znaczny stopień zagęszczenia materiału oraz duży zakres możliwości co do rozmiarów i kształtów brykietów [4]. Proces granulowania (peletyzacji) polega na nawarstwianiu i zagęszczaniu materiału na tzw. zarodkach granulacji. Zarodkami mogą być zarówno bardzo drobne ziarna materiału granulowanego, jak i ziarna materiału obojętnego, otaczane materiałem przeznaczonym
147 do granulowania. Metodami granulowania, wykorzystywanymi do kompaktowania materiałów sypkich są: granulowanie metodą otaczania (granulowanie przesypowe) i granulowanie metodą wibracyjną. 2.1. Stanowiska badawcze wykorzystywane w badaniach W prezentowanych badaniach wykorzystano wielkolaboratoryjne stanowiska badawcze procesów kompaktowania materiałów drobnoziarnistych techniką brykietowania i granulowania, będące w dyspozycji IChPW. Podstawowym elementem wielkolaboratoryjnego stanowiska brykietowania jest walcowa prasa brykietownicza o nacisku 25 MPa. Stanowisko to jest wyposażone w ogrzewane przeponowo zbiorniki spoiw ciekłych oraz mieszalniki mechaniczne łopatkowe o działaniu periodycznym; jego wydajność wynosi ok. 100 kg/h. Wielkolaboratoryjne stanowisko granulowania materiałów drobnoziarnistych składa się z węzła przygotowania surowców, obejmującego mieszalnik typu Z i mieszalnik dwuwałowy, oraz z węzła granulowania, składającego się z granulatora talerzowego o średnicy 1m, regulowanym kącie nachylenia i prędkości obrotowej talerza oraz z granulatora wibracyjnego o długości rynny 1,5 m, regulowanej amplitudzie drgań i regulowanym kącie pochylenia rynny. Maksymalna wydajność stanowiska granulowania wynosi 600 kg granulatu/h. W badaniach wykorzystano również analityczne zaplecze badawcze do oceny surowców i produktów wytworzonych w wyniku testów technologicznych. 2.2. Systemy wiążące Niezwykle istotnym zagadnieniem w różnego rodzaju procesach kompaktowania materiałów drobnoziarnistych jest odpowiedni do wyznaczonego celu działania dobór spoiw, których rolą jest wspomaganie wytwarzania spójnej struktury otrzymanych produktów. Wymagania, jakim powinny sprostać stosowane spoiwa, zależą zarówno od właściwości kompaktowanego surowca, przyjętej metody kompaktowania, jak i wymagań w stosunku do samego produktu kompaktowania. Odpowiedni dobór spoiwa a także parametrów procesu kompaktowania pozwala na sterowanie w dość szerokim zakresie końcowymi właściwościami otrzymanych produktów. Istnieje szereg klasykikacji spoiw, w których kryteriami podziału są między innymi [5]: stan fizyczny (ciekłe, półstałe, stałe), spełniana funkcja (matrycowe, warstewkowe), typ chemiczny (organiczne, nieorganiczne, mieszane), pochodzenie (roślinne, zwierzęce, bitumiczne, syntetyczne), mechanizm uzyskiwania wytrzymałości mechanicznej (nieaktywnej warstewki, warstwy chemicznej, nieaktywnego kompleksu, kompleksu chemicznego, reakcji chemicznej). Jednym z powszechniej stosowanych podziałów spoiw jest podział według typu chemicznego, w którym wyróżnia się spoiwa organiczne i nieorganiczne. Do spoiw organicznych należą między innymi substancje pochodzenia karbo- lub petrochemicznego, żywice, skrobie, melasy, ługi posiarczynowe. Wadą ich stosowania jest
148 niejednokrotnie konieczność ich wcześniejszego podgrzania, kompaktowania mieszanki gorącej, stosowania utwardzaczy chemicznych lub kondycjonowania w warunkach podwyższonej temperatury. Wpływa to na skomplikowanie techniczne, a tym samym na podniesienie kosztów procesu. Wykorzystanie spoiw organicznych wiąże się z podwyższeniem wskaźników emisji zanieczyszczeń podczas stosowania wytworzonych z ich udziałem produktów. Spoiwa nieorganiczne, do których należą między innymi cement, wapno, glina, popioły lotne o właściwościach wiążących i krzemiany, nie stwarzają problemów natury technicznej, a ponadto są spoiwami stosunkowo tanimi i, przede wszystkim, nie powodują dodatkowej emisji zanieczyszczeń w procesie ich stosowania. Wytrzymałość mechaniczna skompaktowanego produktu jest bardzo silnie uzależniona od jego ilości, przyrost wytrzymałości jest długotrwały, produkty charakteryzują się całkowitym brakiem lub ograniczoną odpornością na działanie czynników atmosferycznych. 3. GRANULKI O WŁAŚCIWOŚCIACH REDUKCYJNYCH Założeniem badań było wytworzenie materiału skompaktowanego z produktów odpadowych i ubocznych, który w procesach metalurgicznych spełniałby rolę reduktora. Podjęto próby nad opracowaniem reduktora formowanego do odmiedziowania żużla zawiesinowego w hutnictwie miedzi, który spełniałby równocześnie rolę topnika. Opracowano recepturę otrzymywania brykietów zawierających pył koksowy, zmielony kamień wapienny oraz spoiwo pakowe. Otrzymane brykiety wykazywały wiele zalet w odniesieniu do technologii, do jakiej zostały przeznaczone: większą gęstość pozorną w porównaniu z koksem, co powoduje lepsze zanurzenie żużla w kąpieli i zwiększoną powierzchnię kontaktu, większą zawartość części lotnych, co zwiększa korzystną dla przebiegu procesu turbulencję żużla, dodatkową ilość gazów redukcyjnych do redukcji pośredniej, pochodzących z rozkładu paku, małą zawartość wilgoci. Jednak wysokie koszty brykietowania w skali doświadczalnej nie pozwoliły na przeprowadzenie próby przemysłowej dla potwierdzenia przydatności technologicznej. Innym wariantem wytwarzania reduktora formowanego są granulaty, otrzymywane w wyniku procesu granulowania metodą talerzową lub wibracyjną. Skład mieszanek do granulowania został oparty na bazie produktów odpadowych o dużej zawartości węgla: szlamu i pyłu wielkopiecowego z dodatkiem pyłu koksowego w celu zwiększenia zawartości węgla. Jako podstawowe składniki spoiwa wytypowano popioły lotne oraz wapno pokarbidowe. W celu poprawy właściwości mechanicznych produktów granulowanych przewidziano stosowanie środków modyfikujących w postaci cementu, szkła wodnego sodowego, gipsu, węglanu i kwaśnego węglanu sodowego. W tablicy 1 zestawiono przykładowe receptury mieszanin do granulowania, a w tablicy 2 podano podstawowe parametry partii granulatów otrzymanych według testowanych receptur.
149 Tabela 1. Przykładowe receptury mieszanin do granulowania Table 1. The examples - recipes of mixtures to granulation Komponent Udział [% wag. suchej masy] R1 R2 R3 R4 R5 Szlam wielkopiecowy 29 29 18 32 9 Pył wielkopiecowy 29 29 18 33 9 Pył koksowy 18 17 17 22 19 Popiół lotny 14 14 33 6 59 Wapno pokarbidowe - 11 14-4 Cement portlandzki 6 - - 5 - Cement glinowy 4 - - 2 - Tabela 2. Właściwości fizykochemiczne partii granulatów o właściwościach redukcyjnych Table 2. Physicochemical properties of reductant pellets Parametr Wartość R1 R2 R3 R4 R5 Gęstość nasypowa [g/dm 3 ] 940 870 875 956 881 Gęstość pozorna [g/dm 3 ] 1918 1832 1823 2027 1789 Wytrzymałość na ściskanie [kpa] 12,5 10,4 12,0 12,5 3,1 Wytrzymałość na ścieranie metodą bębnową [% m/m] - W 100 - W 500 Podstawowy skład chemiczny [% wag suchej masy]: C Fe SiO 2 CaO Al 2 O 3 78,6 60,9 29,8 24,2 12,5 8,6 5,4 88,9 76,4 29,3 23,4 11,1 11,5 4,0 89,2 76,8 29,4 18,5 16,4 11,1 6,4 82,2 65,1 32,5 25,0 10,1 8,6 4,1 46,9 24,5 21,2 10,4 34,2 6,2 14,2 Badanie nad otrzymywaniem granulatu prowadzone były pod kątem ich zastosowania do redukcji żużli stalowniczych i wykorzystania otrzymanego produktu jako kruszywa drogowego. 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone w skali wielkolaboratoryjnej badania nad otrzymywaniem reduktora formowanego pozwoliły stwierdzić, że korzystną metodą kompaktowania jest granulowanie. Jest to proces tańszy i wydajniejszy od brykietowania, a zastosowane parametry pracy urządzenia granulującego (w przypadku granulatora talerzowego kąt nachylenia i prędkość obrotowa talerza, sposób podawania surowca i cieczy zwilżającej) pozwalają sterować w szerokim zakresie ziarnistością otrzymywanego produktu.
150 Problemem najtrudniejszym w procesie granulowania jest dobór spoiwa, zapewniającego odpowiednią wytrzymałość mechaniczną produktu. W prowadzonych badaniach założeniem było, że spoiwo ma stanowić, podobnie jak składniki podstawowe, element akceptowalny z punktu widzenia składu produktu, stąd główny nacisk położony został na spoiwa o charakterze mineralnym. Możliwość zastosowania tego typu spoiwa może być jednakże ograniczona funkcją celu, jakim jest odpowiedni skład chemiczny wytwarzanego materiału. Przy założeniu np. maksymalizacji zawartości węgla, wprowadzanie większej ilości spoiwa popiołowo wapniowego do tej samej mieszanki podstawowej z jednej strony poprawia właściwości wytrzymałościowe, ale z drugiej negatywnie wpływa na właściwości technologiczne (właściwości redukcyjne) produktu. Wtedy niezbędne jest zastosowanie spoiwa o większej sile wiązania (R4); wiąże się to jednak z podniesieniem kosztu wytwarzania produktu. LITERATURA [1] Z. Drzymała, E. Michlowicz, J.Wróbel, K. Laska: Logistyka w zarządzaniu utylizacją odpadów w hutnictwie stali na przykładzie HTS S.A.. Materiały Konferencji Problemy Utylizacji Odpadów w Hutnictwie Żelaza i Stali, Raba Niżna, czerwiec 2000. [2] H. Schubert: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1972. [3] R. Koch, A. Noworyta: Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa, 1992. [4] S. Serkowski: Nowoczesne technologie utylizacji pyłów i szlamów z instalacji metalurgicznych. Materiały Konferencji Problemy Utylizacji Odpadów w Hutnictwie Żelaza i Stali, Raba Niżna, czerwiec 2000. [5] P.L. Waters: Binders for fuel briquettes. Division of Mineral Chemistry, New South Wales, Australia, 1969. SUMMARY GRANULATED AUXILIARY MATERIALS FOR METALLURGY IN ICHPW INVESTIGATIONS The article presents the possibility of producing the indirect materials with the high content of carbon from the semiproducts or wastes. The advantage of the process is its competetive price kept with certain quality standards. Granulation is one of the methods that make possible adopting the physical form to the form easy in usage. It also makes possible the selection of the suitable chemical composition. The example of the pellets with reductive quality presents the experience of the Institute in this range. Recenzent: prof. zw. dr hab. inż. Czesław Podrzucki.