CC BY
99
196
/шпт РГ
3 (52), 2019-
АитеИное
материаловедение, специальные способы литья
The technology ofpreparation and processing of chips with burning-off refinement in rotary furnaces and hot compression of briquettes is offered.
О. M ВАЛИЦКАЯ, T. M. ЗАЯЦ, ГГТУ им. Я О. Сухого
ПОДГОТОВКА СТРУЖКИ К ПЕРЕПЛАВКЕ
УДК 624.745
Металлическая стружка - это один из видов промышленных отходов, подлежащих обязательной переработке. Стружка образуется в результате механической обработки заготовок в большинстве случаев с применением СОЖ и масел. Их содержание в общей массе стружки может составлять до 10%. При транспортировке и длительном хранении стружки происходит снижение этого показателя до 5-8% за счет отстаивания и стекания. Однако и в таком состоянии «грязная» стружка практически непригодна для дальнейшего применения в качестве шихтового материала как по технологическим (особенно при индукционной плавке), так и по экологическим требованиям. Несмотря на большой интерес к переработке стружки, последняя как материал мало изучена. Ряд характеристик стружки, которые определяют качество
п, %
этого шихтового материала, требуют дополнительного исследования: уровень загрязненности, плотность, дисперсный состав, химический состав и однородность, адгезионные свойства и т. п.
Дисперсность стружки наиболее наглядным образом можно представить в логарифмически-вероятностной шкале координат (см. рисунок).
Из рисунка видно, что каждый из анализируемых образцов стружки является смесью продуктов обработки на разных станках и при различных режимах (нормальное распределение, характерное для монопроцесса, представлено прямой линией). После обработки в ротационной печи дисперсность и однородность стружки существенно возрастают. Это способствует при последующем прессовании получению плотных однородных по структуре брикетов с минимальной пористостью
99
95 90 80
50
-NS / в- Г 1-
h /
7 У
А У <4 X / 1 / /
\ Л/
/ / /
> > / / У (
/А У / / /ш
As /
У S А / л'
А у Г5Г / , s
®
0,02 0,03 0,05 0,08 0,1
0,2 0,3 0,5 0,8 1
8 10 20
d, мм
Дисперсный состав стружки: 1 - чугунная стружка после нагрева в ротационной наклоняющейся печи (РНП) до 700-800 °С; 2 - чугунная стружка крупная (строгание, обдирка, грубая механическая обработка); 3 - чугунная и стальная мелкая дробленая стружка (чистовая обработка); 4 - чугунная и стальная стружка (смешанная)
и газосодержанием. Еще более качественные брикеты получаются с введением в шихту высокодисперсного углерода. При последующей плавке такие брикеты имеют угар, равный и даже меньший, чем у плотной шихты.
Форма частиц произвольная, тем не менее для дробленой стружки (пластинчатой) можно определить коэффициент формы, который колеблется от 1,3 до 2,75 для мелкой и от 2,45 до 7,5 для крупной фракции. Насыпная плотность чугунной и стальной дробленой стружки составляет (1,5—2,2)-103 кг/м3. После высокотемпературной обработки в ротационных печах плотность возрастает до (2,3-2,8)* 103 кг/м3. Значительно уменьшаются и адгезионные силы: стружка при перегрузках «течет», как горячий песок или моршалит. Угол естественного откоса стружки составляет аст = 34-36°, в нагретом до 700-800 °С состоянии аст стремится к 0. Важным обстоятельством является поведение стружки во вращающихся печах. Угол, который занимает слой шихты, составляет адин = 45-47° при вращении печи со скоростью 3-5 об/мин.
Существует ряд технологий подготовки и переработки стружки, включающие следующие операции: сбор, сортировка, дробление, очистка, брикетирование, транспортировка и нагрев для последующей плавки.
Дробление стружки - необходимая операция при работе с витой стальной стружкой, позволяющая получить массу из мелких фрагментов, примерно одинаковых размеров (0,5-5 мм), обладающих сыпучестью.
Большое внимание уделяется процессу очистки стружки от примесей, так как органические загрязнения резко снижают металлургическую ценность брикетов. Применяют различные способы очистки: центрифугирование - отделение СОЖ и масел центробежными силами; промывка горячей водой или щелочными растворами с последующей сушкой; обжиг в нагревательных печах в основном барабанного типа.
Главным недостатком способа обезвреживания в центрифугах всех типов является забивание грязью и мелкой стружкой отверстий для удаления масла, что заметно ухудшает обработку. В конструкциях современных установок могут быть предусмотрены промывка дренажной системы, а также подогрев, но это усложняет конструкцию и повышает энергопотребление.
Промывка - трудоемкий и дорогостоящий процесс, включающий 3-4-кратную промывку горячей водой (95 °С) с ПАВ или щелочными растворами, а затем сушку в сушильной камере или камерной печи.
/;ггттг.гг г: (та [¡пшт /107
-3(52), 2009 / 1111
Все названные выше способы очистки недостаточно эффективны из-за высокоразвитой поверхности стружки, имеющей к тому же микротрещины и другие дефекты, а также из-за высоких адгезионных способностей железа и оксидов, прочно удерживающих растворы с поверхностно-активными веществами. Обжиг позволяет удалить практически все примеси: органические, влагу, масло, ПАВ и т. п.
Для нагрева больших объемов стружки до температур 350-500 °С применяют барабанные печи непрерывного действия, в которых стружка перемещается вдоль камеры тонким слоем от места загрузки к месту выгрузки. Над слоем, навстречу ему, движется поток теплоносителя, прогревая поверхность движущегося слоя стружки. Наименьшие габариты выпускаемых печей: высота - 1,6 м, длина -8 м, производительность - 1-3 т/ч. Стружка после нагрева, как правило, имеет высокую окисленность - 10-12%, а в случае работы печи на жидком топливе - насыщенность серой. Такие печи эксплуатировать в условиях гибкого производства, когда требуется очищать и прогревать небольшие порции стружки разного состава и качества, нерентабельно.
На производстве с целью экономии иногда отказываются от предварительной очистки и брикетируют неочищенную стружку в холодном состоянии в закрытых матрицах без каких-либо связующих, применяя мощные гидравлические прессы. Для получения плотного брикета диаметром 250350 мм давление прессования должно быть около 4,5 МПа. Большие усилия все же не обеспечивают достаточную механическую прочность брикетов и плотность более (2,5-3,0) 103 кг/м3. Их нельзя долго хранить, так как имеющаяся в них эмульсия приводит к интенсивной коррозии. Скорость коррозии в 4-8 раз выше, чем на поверхности монолита. Низкая термическая стойкость приводит к потерям металла в виде угара и уноса (в вагранках до 30%). Для улучшения качества полученных брикетов их подвергают длительной сушке и нагреву до 350 °С в камерных нагревательных печах. После выгорания примесей брикет уплотняют повторным прессованием. Такая технология возможна для небольших объемов перерабатываемой стружки в условиях собственного производства завода, когда применяются менее жесткие требования, чем в случае отправки брикетов сторонним организациям.
Наиболее распространенный способ утилизации - холодное брикетирование предварительно очищенной стружки. Использовали различные типы прессов: штемпельные, револьверные, валь-
Ш/штг^ гс г$тгг№ри*й
I 3 (52), 2009-
цевые и т. п. Однако низкие производительность и прочность получаемых брикетов, сложность оборудования и периферийных устройств, энергозатраты и другие недостатки технологии заставляют специалистов продолжать поиски как в области техники формирования брикетов, так и их состава. Так, в последнее время появились линии вибропрессования, технологии с использованием не только связующих, но и науглероживателей, пластификаторов, контролируемого увлажнения, флюсов и др. Технологический процесс включает в себя в следующие операции: подготовку шихты, смешивание, увлажнение, уплотнение.
Перемешивание сухих материалов со связующим (цементом, известью, жидким стеклом и т. п.) производится в течение не менее 40-60 с, добавки водного раствора пластификатора, перемешивание - в течение 90-120 с.
При давлении до 0,1 МПа и вибрации с частотой 30-70 Гц и амплитудой 0,2-0,6 мм производятся брикеты прочностью Рст= 13-15 МПа, плотностью р = 2,2-2,5 кг/см3, пористостью <15%. Размеры получаемых брикетов от 20 до 1000 мм в диаметре. Осыпаемость брикетов (по методике ГОСТ 2787-75) составляет 2,5-3,5% (потеря массы). При 10-кратном сбрасывании - 5%.
Введение химических пластификаторов уменьшает пористость и облегчает уплотнение смеси, повышая структурную плотность.
Технология ориентирована на крупномасштабное металлургическое производство и требует дальнейшей отработки в конкретных производственных условиях. Такие брикеты, конечно, значительно меньше подвергаются коррозии, при плавке повышают содержание углерода в стали, но не снимают прочих негативных явлений.
Существующие технологии горячего брикетирования включают высокотемпературный нагрев и очистку стружки во вращающихся барабанных печах и прессование брикетов на мощных гидравлических прессах или молотах. Нагретая стружка пластична, что приводит к значительному уменьшению усилия прессования и позволяет получать прочные брикеты, пригодные для переплавки в любых агрегатах. Полученные брикеты имеют плотность до (5—6)-103 кг/м3 и могут в определенной степени быть аналогом кускового лома. Однако такая технология связана с большими затратами на нагрев стружки до температур 750-800 °С, что приводит к повышению стоимости до 200-250 долл. за 1 т. Длительность нагрева приводит к значительному окислению стружки, что снижает ценность брикета как шихтового материала. Добавки в брикет углеродсодержащих материалов усложняют технологию обработки.
Для очистки и нагрева стружки перед прессованием вместо традиционных барабанных печей более целесообразно применять скоростные режимы высокотемпературного нагрева на базе ротационных печей [1—4]. Максимальная интенсивность термической обработки стружки обеспечивается сложным взаимодействием многовекторного механического перемещения материала и аэродинамического воздействия возвратно-поступательного потока теплоносителя. Отличительная особенность конструкций таких печей - возможность создания вращающегося потока теплоносителя, совпадающего или противоположного вращению камеры. Поток теплоносителя активно участвует в тепломассопереносе и диспергировании материала стружки, создаются условия, близкие к нагреву псевдоожиженного слоя. Производительность печей высокая за счет того, что частицы стружки почти одновременно прогреваются до требуемой температуры. Весь процесс занимает несколько минут. При этом габариты предлагаемых печей в 2,0-2,5 раза меньше барабанных печей, а производительность выше примерно в 4 раза. Емкость печей от 0,5 до 5,0 т, при этом режим работы может быть периодическим или непрерывным. Нагрев до 750-850 °С приводит к меньшему в 2-3 раза угару, чем нагрев до 350-500 °С. Это объясняется тем, что на поверхности стружки образуется тонкий слой (монослой) плотных оксидов, преимущественно вюстита БеО, препятствующего диффузии атомов кислорода в твердый металл. Более того, исследования показали, что скорость окисления стружки, прошедшей высокотемпературный нагрев, при последующем остывании и хранении примерно вдвое ниже, чем при низкотемпературном нагреве или сушке. За счет тепла, выделяющегося при выжигании масел, существенно сокращаются затраты природного газа на очистку стружки и уменьшаются вредные примеси в атмосферу. Стружка после обработки в РНП освобождается от влаги на 100%, содержание масел уменьшается с 5% до обработки до 0,01% после.
При обработке в РНП стружка разламывается в процессе перемешивания и образует однородную мелкодисперсную фракцию с размером частиц менее 3 мм (см. рисунок). Сыпучесть стружки, имеющей чистую гладкую поверхность на выходе из печи, близка сыпучести сухого песка. Кажущаяся плотность свободно насыпанной стружки возрастает. Например, для чугунной стружки первоначальная плотность примерно 1500 кг/м3, а после обработки - 2800 кг/м3. Из стружки с такими характеристиками возможно получать качественные брикеты, отвечающие всем требованиям ГОСТ.
-3(52), 2009/ 11111
Предлагаемая технология подготовки и переработки стружки с очисткой выжиганием в ротационных печах и горячим прессованием брикетов эффективна на заводах, имеющих плавильные
агрегаты. Переплавка брикетов, полученных из сухой качественной стружки, увеличивает выход жидкого металла, уменьшает угар стружки и удельные расходы энергии.
Литература
1. Пат. 1424 Республика Беларусь: МПК Р 27 В 7/00. Ротационная установка для термообработки и плавки дисперсных и кусковых материалов.
2. Пат. 1732 Республика Беларусь: МПК Р 27 В 7/00. Ротационная качающаяся установка для термообработки и плавки дисперсных и кусковых материалов.
3. Пат. 2428 Республика Беларусь: МПК Р 27 В 7/00. Ротационная установка для термообработки и сушки дисперсных и кусковых материалов.
4. Пат. 2770 Республика Беларусь: МПК Р 27 В 7/00. Ротационная наклоняющаяся установка для плавки дисперсных и кусковых материалов.
