СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ И УГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ
BINDER FOR PRODUCTION OF METALLURGICAL AND COAL BRIQUETTES

Изобретение относится к технологии подготовки и производства брикетов, флюсов, окатышей, а также в технологии окускования и гранулирования для производства всех видов металлургических и угольных брикетов железнорудных окатышей, брикетирования высокоалюминатных шлаков, а также шлаков металлургических производств, металлической стружки, огнеупорных и керамических изделий из различного минерального сырья.
Брикетирование - это процесс переработки сырья (в основном минерального) в куски однородного состава и геометрически правильной формы, так называемые брикеты. При брикетировании вовлекаются в переработку мелкодисперсные и пылевидные отходы различных этапов производства (пыль, шлаки, металлическая стружка и т.п.). Брикетирование является наиболее простым и экономически эффективным способом переработки и утилизации отходов угольных, металлургических, деревообрабатывающих, огнеупорных производств, при этом создаются дополнительные сырьевые ресурсы, использование которых малоэффективно или затруднительно.
2
В зависимости от свойств исходного сырья брикетирование производится без связующих веществ при высоких давлениях (порядка 100-250 кгс/см) и со связующими при более низких давлениях. Известно [Горная энциклопедия / Под редакцией Е.А. Козловского. Т.4. М.: Сов. энциклопедия, 1989. - 595 с., ил.], что в качестве связующих могут применяться такие связующие, как: известь, цементы, жидкое стекло и др. Однако применение таких связующих не обеспечивает требуемой высокой механической прочности, достаточной для того, чтобы материал не разрушался при транспортировке и подаче, а также высокотемпературной стойкости брикета, при которой бы он начинал разрушаться только по достижении высокотемпературной зоны печи. При этом для брикетирования требуется высокая дозировка связующего (до 15%).
Указанные недостатки в значительной степени устранены в изобретении [Патент РФ №2138566. Смесь для получения углеродосодержащих брикетов для производства металлов и сплавов и способ его получения] при применении в качестве связующего для брикетирования водорастворимого производного природного полимера лигнина - лигносульфоната (ЛСТ), являющегося наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения. Однако при применении ЛСТ в качестве связующего для производства брикетов не удается обеспечить высокотемпературную стойкость и механическую прочность при низкой дозировке добавки.
Технической задачей изобретения является получение связующего для производства металлургических и угольных брикетов, обладающего высокотемпературной стойкостью и механической прочностью при его применении в малых дозировках.
Поставленная техническая задача решена в предлагаемом изобретении тем, что связующее для производства металлургических и угольных брикетов содержит органический полимер - полимерное натриево и полиалкиленоксидное производное полиметиленнафталинсульфокислот, а также добавку производных гликозидов при следующем соотношении указанных компонентов (мас.%): полимерное натриево- и полиалкиленоксидное производное полиметиленнафталинсульфокислот - 30-80%; производные гликозидов - 20-70%. При этом количество звеньев в полиалкиленоксидной цепи составляет n=5÷25.
Полимерное натриево- и полиалкиленоксидное производное полиметиленнафталинсульфокислот получено конденсацией сульфокислот нафталина с формальдегидом, а в качестве добавки производных гликозидов используют фруктозиды, глюкозиды, галактозиды или смесь любых указанных соединений.
Применение предлагаемого связующего для производства металлургических и угольных брикетов позволяет изменять реологические свойства структурированных грубодисперсных систем, к которым относится сырье для брикетирования, химически с ними взаимодействует, служит центром кристаллизации.
Совместное применение органического полимера, состоящего из нескольких типов элементарных звеньев: сульфогруппы для обеспечения высокой адсорбционной активности и снижения зависимости от свободных щелочей и боковых цепей полиалкиленоксидного или другого типа для обеспечения стерического эффекта и/или придания дополнительных свойств, позволяющего на атомарно-молекулярном уровне управлять свойствами твердой поверхности, а также производные глюкозидов, содержащие альдегидную группу и карбонильную группу, различающиеся присутствием в их структурах свободного гликозидного гидроксила, позволяет в результате избирательной адсорбции получать органо-минеральные комплексы с вытеснением молекул воды с поверхности вещества. За счет стерического эффекта предлагаемое связующее структурирует каркас, что оказывает стабилизирующее действие на систему в целом.
Таким образом применение связующего для производства металлургических и угольных брикетов позволяет обеспечить синергетический эффект, вследствие чего для достижения высокой термической стойкости и механической прочности требуется существенно меньшая дозировка добавки. Так, для прототипа диапазон дозировок составляет от 10% до 15% по техническому весу от массы шихты, а для предлагаемого связующего - 1-8% от массы шихты.
Соотношение компонентов в предлагаемом связующем для брикетирования подобрано экспериментально и является оптимальным.
Содержание в составе связующего органического полимера менее 30% не обеспечивает связывания частиц материала (клейкость), а более 80% не обеспечивает набора требуемой механической прочности брикета. При содержании производных гликозидов менее 20% не обеспечивается требуемая плотность брикетирования, а  содержание более 70% приводит к существенному снижению термической стойкости.
10
6
3
2
10
5
3
Оптимальное количество элементарных звеньев (n) в цепи натриево- и полиалкиленоксидного производного полиметиленнафталинсульфокислот общей формулы CHSONa(-CH-CHSONa)n составляет n=5÷25. При n менее 5 связующее обладает слабыми поверхностно-активными свойствами, продукт распределяется по всему объему, а при n более 25 повышается смачиваемость трудносмачиваемых материалов.
Более подробно техническая сущность изобретения и достигаемые эффекты могут быть проиллюстрированы следующими примерами.
Были разработаны образцы связующего для производства брикетов, данные по которым приведены в таблице 1. В качестве прототипа связующего для брикетирования использовали ЛСТ производства ОАО «Кондопога». Имеющаяся шихта представляла собой неоднородную массу с крупными включениями с влажностью 17-18%.
Эксперимент по вводу связующих производили следующим образом:
2
в навеску шихты для брикетирования добавляли контрольный образец ЛСТ в количестве 10%, остальные образцы вводились в количестве 6% от массы шихты. Ввод реагентов проводили в два этапа. Сначала добавляли 75% от массы связующего, перемешивали. Затем производили сушку шихты до влажности 3-4% при температуре 250°C и добавляли оставшиеся 25%. При вводе последней порции реагента возникли затруднения с перемешиванием, т.к. в сухую шихту достаточно сложно вводить реагент. Готовые массы были сформированы в брикеты для прохождения дальнейших испытаний по прочности на сжатие, термической стойкости. Из указанных масс были сформованы образцы диаметром и высотой 50 мм массой 150 г при давлении прессования 200 кг/см.
Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1
N
Состав связующего, мас.%
Дозировка, %
Прочность при сжатии, МПа
Механическая прочность после температуры, МПа
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Органический полимер
Производные гликозидов
120°C
300°C
600°C
1
60
40
6
12
7,5
4,5
4
1,26
2
30
70
6
11
5,8
3,0
3,0
1,23
3
80
20
6
9
6,5
3,0
2,5
1,25
4
20
80
6
7
3,5
2
1,5
1,22
5
90
10
6
6,8
3,5
2
1,5
1,24
6∗
100
-
10
6,5
3,2
1,5
1,5
1,25
∗ - прототип
№4, 5 - запредельные значения
Анализ результатов проведенных испытаний показал следующее.
Применение связующего для производства брикетов по изобретению по сравнению со связующим-прототипом при введении его в меньшей дозировке, составляющей 6%, (примеры 1, 2, 3) позволяет существенно увеличить прочность брикета при сжатии и повысить механическую прочность брикета после воздействия температуры. Так, применение связующего по изобретению в дозировке 6% по сравнению с применением прототипа в дозировке 10% (примеры 1 и 6) позволяет увеличить прочность брикета при сжатии почти в 2 раза. При этом применение связующего по изобретению позволяет обеспечить более высокую механическую прочность после воздействия температур. Так, для варианта применения связующего по изобретению (пример 1) механическая прочность после температуры 120°C в 2,3 раза выше, чем у прототипа (пример 6), а в диапазоне температур 300-600°C в 3 раза. Важно при этом отметить, что такое увеличение достигается не за счет дозировки связующего, которая остается постоянной (примеры 1, 2, 3, 6), а именно за счет синергетического эффекта от его применения.
Примеры 4 и 5, представленные в табл.1, показывают невозможность получения эффективного связующего для производства металлургических и угольных брикетов при выходе за граничные значения содержания компонентов. Так, при одинаковой дозировке, равной 6%, использование связующего, содержащего менее 30% органического полимера и более 70% производных гликозидов (пример 4), приводит к снижению термической стойкости по сравнению с вариантом применения добавки по изобретению (пример 2). При содержании в составе связующего более 80% органического полимера (пример 5) наблюдается снижение механической прочности по сравнению с вариантом применения связующего по изобретению (пример 3). Т.о, при выходе за пределы оптимальных соотношений не наблюдается синергетический эффект, хотя прочность при сжатии и механическая прочность после температуры все равно остаются выше, чем у прототипа.
Эффективность действия связующего для брикетирования оценивали также на основе шихты для брикетирования, состоящей из медных концентратов.
При проведении испытаний шихта материала представляет собой смесь медных концентратов различных производителей и промышленных пылей с различных медеплавильных производств. Поскольку одним из главных разрушающих факторов в процессе брикетирования в горнорудной промышленности является разрушение при пересыпке окомкованного продукта (брикета) во время его транспортирования, то испытания проводились по методике определения прочности при сбрасывании, принятой на ОАО "УГМК".
3.
В качестве прототипа связующего для брикетирования использовали 8-10 мас.% раствора ЛСТ плотностью 1,25 г/см. В качестве связующего по изобретению - суперпластификатор и гликозид в соотношении (мас.% 60:40). Результаты испытаний представлены в табл.2.
Таблица 2
Шихта для брикетирования №1 (концентрат Башмедь, Бурибай, Гай, Сибай, газовая пыль)
Шихта для брикетирования №2 (концентрат Гайского ГОК, Нявленга, Сибай, Сибирь-Полиметаллы, шлак медный)
Прототип
По изобретению
Прототип
По изобретению
8%
10%
6%
8%
8%
10%
6%
8%
Прочность при сбрасывании, раз
7
14
27
>30
7
14
>15
>15
Прочность при сжатии, МПа
15
-
20
26
14
18
35
38
Из представленных результатов видно, что применение добавки по изобретению существенно увеличивает прочность брикета. При этом прочность на сбрасывание при применении связующего по изобретению возрастает по сравнению с применением прототипа - связки на шихте для брикетирования №1 более чем в 3 раза, а при брикетировании шихты №2 более чем в 2 раза при одинаковой дозировке связующего (8%), а при оптимальной для связующих дозировке возрастает менее значительно. Прочность при сжатии возрастает в 2 раза при дозировке связующего по изобретению 10% и 8% на шихте для брикетирования №2 по отношению к прочности связующего прототипа. Приведенные примеры не исчерпывают все возможные варианты связующего для производства металлургических и угольных брикетов, но помогают нагляднее продемонстрировать его свойства.