CC BY
47
/шъъ г? г^адшятеп
I 1 («I). 2007 -
ПРОИЗВОДСТВО,
The original method of thermal cleaning of metal chips using high-frequency electromagnetic field was tested on the results of the carried out experimental-research works.
П. С. ГУРЧЕНКО, М. И. ДЕМИН, А. И. МИХЛЮК,.
ПЕРЕРАБОТКА СТАЛЬНОЙ СТРУЖКИ НА РУП «МАЗ»
Развитие промышленности в Республике Беларусь и наращивание объемов выпуска продукции на предприятиях машиностроительного комплекса неизбежно связано с образованием отходов черных и цветных металлов и в частности стружки черных металлов. Только за 2005 г. по республике образовалось более 150 тыс. т стальной углеродистой стружки и около 45 тыс. т чугунной стружки. Поэтому проблема эффективного повторного использования стальной и чугунной стружки в качестве металлошихты для производства отливок или стального проката является крайне актуальной.
Вместе с тем стружка как шихтовой материал по сравнению с габаритным ломом при выплавке металла в литейных печи имеет ряд недостатков: увеличение расхода ТЭР на производство годных отливок; повышенный угар металла и легирующих элементов при проведении процесса плавки; ухудшение экологической обстановки в районе плавильного агрегата от сжигания масел и СОЖ, находящихся в стружке.
Целый ряд промышленных предприятий активно работают над технологиями эффективного повторного использования стружки.
Современные способы повышения удельного веса стальной и чугунной стружки.
Для того чтобы использовать стружку в качестве шихтового материала, требуется проведение специальных подготовительных операций, направленных на увеличение удельного веса стружки: сепарирование, дробление и брикетирование. Это связано с тем, что использование насыпной стружки при плавке различными способами приводит к высокому ее угару от 35 до 80%.
Сепарирование. Операция предназначена для очистки стружки от кусковых отходов, лома и других посторонних предметов. Для сепарирования стружки в промышленности в основном используют барабанные грохоты, обеспечивающие производительность от 5 до 8 т/ч.
4. М. СКИБАРЬ, РУП «МАЗ»
УДК 621.74
И ЧУГУННОЙ
Дробление. Операция предназначена для измельчения стружки перед последующими операциями. Дробление стружки проводят ножами, износостойкими молотками и дроблением стружки в валках.
Брикетирование. Основная операция по увеличению удельного веса стружки. Для получения товарного продукта, пригодного для использования в качестве сырья металлургической промышленности, брикет должен соответствовать ряду требований:
• не должен содержать вредных для металлургического процесса примесей элементов сверх допускаемого уровня;
• обладать прочностью, достаточной для транспортировки и перевалки;
• сохранять прочность при увлажнении при транспортировке;
• обладать прочностью при высоких температурах;
• иметь однородный химический состав;
• обладать однородностью линейных размеров кусков;
• иметь низкую себестоимость.
Существует целый ряд промышленно освоенных технологий брикетирования: непрерывное брикетирование в открытой матрице; холодное брикетирование на специализированных прессах; вибропрессование с использованием связующего; горячее брикетирование под молотом; электрофизический метод брикетирования; брикетирование взрывом; окомковывание металлической стружки.
Несмотря на широкое разнообразие способов переработки стружки, самой технологически трудной операцией является очистка стружки от влаги и смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Все известные ранее способы очистки стружки можно разделить на холодную и горячую очистку. Эти способы имеют существенные недостатки: сложность технологии, низкая производительность, большие габариты оборудования.
- 1 (01). 2007
/107
На РУП «МАЗ» был разработан и успешно опробован способ очистки металлической стружки от СОЖ и других органических примесей путем интенсивного термического нагрева с применением высокочастотного электромагнитного поля непрерывно движущегося потока металлической стружки в наклонном металлическом вращающемся барабане. Суть разработанного способа заключается в следующем (рис. 1).
Производится индукционный нагрев наклонного вращающегося барабана 1 до заданной температуры, затем в него непрерывно подается металлическая стружка 2, которая постоянно перемешивается и одновременно перемещается вдоль нагретого барабана. Движущийся в трубе поток металлической стружки нагревается одновременно за счет контакта нагреваемых частиц стружки с разогретой поверхностью трубы, теплового излучения от этой трубы и теплообмена с разогретой атмосферой, а также под воздействием на этот поток электромагнитного поля 3 от индуктора 4. При перемешивании непрерывно движущегося потока стружки во вращающейся металлической трубе обеспечивается интенсивный и равномерный нагрев стружки выше температур испарения влаги и пиролиза органических примесей и загрязнений, что приводит к ее очистке путем интенсивного испарения и выгорания остатков влаги, СОЖ, нефтепродуктов и других органических примесей. Очищенную таким образом стружку можно использовать далее для различных технологических нужд, например для последующего брикетирования или в качестве готовой шихты при плавке металла.
Были проведены исследования основных закономерностей нагрева мелких металлических изделий, каковой является единичная металлическая стружка по предложенному методу. С помощью хромель-алюмелевой термопары были произведены записи изменения температуры нагрева одной частицы при различных вариантах ее нахождения в движущемся потоке в барабане.
Рис. 1. Способ термоочистки металлической стружки с применением высокочастотного электромагнитного поля: 1 — наклонный барабан; 2 — поток движущейся стружки; 3 — линии электромагнитного поля; 4 — индуктор; 5 — направление движения потока стружки
На рис. 2 приведены варианты нахождения частицы в барабане.
По первому варианту (рис. 2, а) моделировали прохождение частицы при постоянном контакте с нагретой поверхностью - частица постоянно лежит на поверхности барабана. По второму варианту (рис. 2, б) моделировали прохождение частицы без контакта с нагретой поверхностью — частица постоянно лежит на поверхности потока. При этом высота нахождения частицы над поверхностью трубы равна высоте потока частиц в трубе. По третьему варианту (рис. 2, в) моделировали прохождение частицы в нагретой трубе внутри потока — частица не контактирует с нагретой поверхностью трубы и не попадает на поверхность потока.
На рис. 3 показаны кривые нагрева единичной металлической частицы по описанным выше вариантам, записанные с помощью хромель-алюме-левой термопары при частоте вращения барабана 60 об/мин.
Была проведена серия экспериментов при нагреве потока частиц при различной частоте вращения трубы: 60, 45, 30 об/мин.
Из анализа полученных результатов видно, что в зависимости от места нахождения дробинки в потоке скорость ее нагрева различная. Наибольшая скорость нагрева наблюдается для частицы, находящейся в постоянном контакте с нагреваемой трубой (см. рис. 2, а). Это объясняется наличием постоянного контакта нагреваемой частицы
1 1
Г
а(и
Рис. 2. Варианты нагрева единичной частицы: а — частица на поверхности барабана; б — частица на поверхности потока; в — частица внутри потока; 1 — частица; 2 — поток; 3 — барабан; 4 — индуктор
ШТ&С IT
I 1 (41). 2007 -
100 200
Время нагрева, с
300
4С
Рис. 3. Кривые нагрева единичной металлической частицы при различных условиях нагрева: 1 — нагрев частицы на поверхности барабана; 2 — нагрев частицы на поверхности потока; 3 — нагрев частицы в потоке
частиц
с горячей трубой. При нахождении дробинки на поверхности потока (см. рис. 2, б) скорость меньше, но незначительно отличается от первого варианта. Это объясняется малой поверхностью соприкосновения с другими частицами и большой интенсивностью конвективного нагрева. Наименьшая скорость нагрева для частиц, находящихся внутри потока (см. рис. 2, в). Эти частицы находятся в постоянном контакте друг с другом, не контактируют с нагретой трубой и для них затруднен конвективный нагрев.
Чем выше скорость вращения трубы, тем выше интенсивность перемешивания частиц и выше теплообмен между ними, что приводит к ускоренному нагреву. Но при этом следует учитывать, что при высоких оборотах вращения трубы увеличивается скорость движения частиц вдоль трубы, что сокращает время нахождения их в трубе.
Вместе с тем за счет интенсивного теплообмена частиц внутри барабана происходит выравнивание температуры нагрева частиц при обеспечении минимальной длины зоны нагрева 1200—1400 мм. Было установлено, что каждый из конструкционных и технологических параметров (диаметр, длина, скорость вращения, угол наклона барабана, а также мощность и частота подводимого тока) влияют на температуру и скорость нагрева потока частиц и могут быть оптимизированы под конкретную технологическую задачу.
Установлены закономерности удаления влаги, СОЖ и других органических примесей в процессе интенсивного нагрева в электромагнитном поле высокой частоты. При увеличении угла наклона барабана сокращается время нахожде-
ния стружки в зоне интенсивного нагрева и удаления продуктов пиролиза органических веществ. С увеличением или уменьшением мощности на индукторе ТВЧ соответственно изменяются температура нагрева барабана, температура нагрева стружки и, как следствие, интенсивность испарения и выгорания СОЖ как основной органической примеси в стружке. На рис. 4 показаны зависимости содержания остаточной СОЖ от времени нахождения стружки в нагретом барабане. Состав большинства СОЖ, загрязняющих стружку, представляет собой смесь воды, специальных добавок и масла в количестве до 30%. Температура вспышки масел, входящих в состав СОЖ, находится в пределах 170— 200 °С, поэтому нагрев стружки в трубе до температуры 180 °С приводит к полному испарению воды и частичному удалению масла (поз. Г). Повышение температуры нагрева стружки в трубе выше температуры 200 °С приводит к полному удалению СОЖ из стружки. Причем, чем выше температура нагрева стружки, тем интенсивнее идет процесс удаления СОЖ (поз. 2-4).
Были выполнены металлографические исследования стальной стружки в состоянии поставки и прошедшей термоочистку по разработанному способу.
Микроструктура стружки стальной без термоочистки — перлит сорбитообразный + феррит. Обезуглероженный слой отсутствует. Наблюдается текстура деформации. Твердость 286HV (-285НВ).
Микроструктура стружки стальной после термоочистки — перлит в стадии сфероидизации + феррит. Обезуглероженный слой отсутствует. Наблюдается текстура деформации. Твердость 192— 21 ОН V(~ 192—212Н В).
4 3 2 1
3 4 5 6 7
Время нагрева стружки, мин
Рис. 4. Зависимость содержания СОЖ в стружке от температуры ее нагрева: 1 - 180 °С; 2 - 300; 3 - 500; 4 - 700 °С
/¡гггггб гг гаш^тргто
- 1 (41). 2007
/109
На рис. 5 показаны микроструктуры исследуемой стружки.
Установлено, что операция термоочистки по разработанному способу обеспечивает наряду с
удалением остатков влаги и СОЖ снижение твердости и изменение микроструктуры. При этом не происходит образования обезуглероженного слоя.
Рис. 5. Микроструктура стальной стружки: а — без термоочистки; б — после термоочистки. х500
Выполнено брикетирование опытных партий очищенной стружки по предлагаемому способу. Стружку подавали в штамп пневматического пресса конструкции РУП «МАЗ» усилием 5,3 т. Размеры рабочей камеры пресса были рассчитаны из условия создания равнозначного удельного давления, создаваемого в рабочей камере гидравлического брикетировочного пресса мод. Б6238, применяемого на РУП «МАЗ» для холодного брикетирования стружки.
Брикетирование стружки осуществляли при различной температуре ее нагрева. На рис. 6 показаны зависимости получаемой плотности брикетов от температуры стружки при прессовании. Установлено, что с увеличением температуры стружки при брикетировании плотность брикетов повышается (поз. 2, 3). Брикетирование остывшей стружки после нагрева в наклонной трубе, помещенной в электромагнитное поле высокой частоты, позволяет получить более высокую плотность брикетов (в 1,1—1,15 раза) по сравнению со стружкой, не прошедшей нагрев (поз. 7).
В настоящее время на РУП «МАЗ» проводятся работы по освоению технологии подготовки и брикетирования стружки с применением разработанного способа термоочистки (рис. 7).
Способ осуществляется следующим образом. Стружка 1 после предварительного рассева и удаления посторонних предметов подается в бункер 2, далее валками дробилки 3 осуществляется измельчение ее до максимального размера не более 12 мм. Измельченная стружка по подающему лотку 4 подается во вращающийся глад-костенный барабан 5, предваритель-
но нагретый до температуры 500—800 °С электромагнитным полем высокой частоты индуктора 6. Поток стружки 7, непрерывно перемешиваясь, нагревается до заданной температуры и одновременно перемещается вдоль нагретого гладкостен-ного барабана в сторону выгрузки. Продукты испарения и пиролиза удаляются в устройство нейтрализации 8. Нагрев стружки под очистку при этом осуществляется комплексно:
• электромагнитным полем высокой частоты, находящимся внутри нагретой трубы;
• теплопроводностью при контакте холодной стружки с нагретой поверхностью трубы;
• теплопроводностью при контакте нагретой и холодной стружки при интенсивном ее перемешивании;
• путем конвективного теплообмена между нагретой поверхностью трубы и холодным движущимся потоком стружки.
В процессе интенсивного нагрева и перемешивания стружки в барабане происходит испарение
12 3
г
о
ё
м X
о. ю л
ъ
о
X
«=; с:
а ! ы
0 20 100 200 300 400 500 600 700 Т, °С
Рис. 6. Зависимость удельной плотности брикетов от температуры стружки при прессовании: 1 - стальная углеродистая стружка без термообработки; 2— стальная углеродистая стружка; 3 — стальная легированная стружка
110 /?!?;
I, 2007 -
Рис. 7. Способ подготовки и брикетирования стружки: 1 — стружка; 2 — бункер загрузки; 3 — дробилка; 4 — подающий лоток; 5 — барабан; 6 — индуктор; 7 — поток стружки; 8 — устройство нейтрализации; 9 — приемный лоток; 10 — брикетировочный
пресс; 11 — тара для брикетов; 12 — брикет; 13 — тара для стружки
влаги, испарение и выгорание остатков нефтепродуктов, СОЖ и других органических примесей. При этом интенсивный нагрев стружки в парах пиролиза органических примесей, малое время нахождения ее в интервале высоких температур исключают выгорание стружки или обезуглероживание ее поверхности.
Далее после прохождения потока стружки через барабан 5 она может использоваться для различных технологических нужд. Например, очищенная стружка через приемный лоток 9 попадает в рабочую камеру пресса для брикетирования 10, где осуществляется брикетирование стружки при различной ее температуре. Готовые брикеты 12 поступают в тару готовой продукции 11. В качестве шихтового материала 13 очищенная стружка может использоваться
для последующей плавки в металлургических печах.
Таким образом, по результатам проведенных опытно-исследовательских работ был опробован оригинальный способ термоочистки металлической стружки с использованием высокочастотного электромагнитного поля и установлены основные закономерности процессов пиролиза стружки по предложенному способу. На основе этих работ разработана технология и осваивается оборудование для подготовки и брикетирования стружки с применением разработанного способа термоочистки.
Внедрение данной технологии позволит получить экономический эффект при переработке всего объема образующейся на предприятии РУП «МАЗ» стружки: для чугунной — около 233 млн. руб.; для стальной - около 457 млн. руб.
