Удосконалення технології підготовки стружки до плавки з метою підвищення якості вторинних кольорових металів

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ

Мирович Ірина Едуардівна

УДК 669.21/.23'054.87

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ПІДГОТОВКИ СТРУЖКИ

ДО ПЛАВКИ З МЕТОЮ ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ

ВТОРИННИХ КОЛЬОРОВИХ МЕТАЛІВ

05.16.02 - металургія чорних і кольорових

металів та спеціальних сплавів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор

Колобов Герман Олександрович,

Запорізька державна інженерна академія МОН України, професор кафедри металургії кольорових металів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Шевелєв Олександр Іванович,

ДП «Техноскрап», ТОВ «Скрап», генеральний директор

кандидат технічних наук, професор

Ігнатьєв Володимир Сергійович,

Національна металургійна академія України МОН України, професор кафедри металургії кольорових металів

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ЗДІА, 69006, м. Запоріжжя, пр. Леніна, 226.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 17.100.02 В. П. Грицай

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значний об'єм відходів кольорових металів представлений стружкою, засміченою змащувально-охолоджуючими рідинами (ЗОР) і вологою, масова частка яких сумарно складає до 30 % .

При незадовільній підготовці стружки збільшуються втрати кольорових металів при плавці і знижується якість виплавлених металів. Загальноприйнята технологія безпосередньої термічної обробки стружки, забрудненої ЗОР і вологою, супроводжується нестійкою роботою сушильних установок і згоранням масляних ЗОР з утворенням тугоплавких зольних залишків, які погіршують якість виплавленого металу при переплавці стружки. стружка плавка рідина змащувальний охолоджуючий

Пропонована технологія підготовки стружки до плавки передбачає попереднє видалення більшої частини ЗОР і вологи у полі відцентрових сил, що дозволяє усунути вказані недоліки і добитися, зрештою, отримання якісних вторинних металів, що наближаються за комплексом властивостей до первинних.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям роботи узгоджується з «Державною програмою розвитку і реформування гірничо-металургійного комплексу України на період до 2011 р.» (Постанова КМУ від 28.07.04 р., № 967) та «Комплексною програмою розвитку кольорової металургії на період до 2010 року» (Постанова КМУ від 18.10.99 р. № 1917) у частині створення технологічних процесів виробництва високоякісної металопродукції з вторинних кольорових металів. Робота виконувалася відповідно до планів НДР ДонНДПІКМ за темою 26-85п-84 «Дослідження можливості знежирення алюмінієвої стружки гравітаційно-вібраційним методом з утилізацією ЗОР» № держ. реєстрації 01850055036.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості та зниження втрат сплавів кольорових металів, що отримують з відходів, за рахунок удосконалення підготовки стружки до плавки шляхом відділення змащувально-охолоджуючих рідин у полі відцентрових сил та розробка на цій основі технології, що дозволяє повторно використовувати відпрацьовані ЗОР і понизити викиди продуктів згорання ЗОР в атмосферу.

Відповідно до поставленої мети, в роботі вирішувалися наступні завдання:

- визначення впливу на ефективність відділення ЗОР основних параметрів центрифугування (чинника розділення центрифуги та тривалості), що дозволяють оптимізувати процес центрифугування;

- визначення коефіцієнта тертя ковзання стружки об фільтрувальну поверхню ротора центрифуги - конструктивного параметра для проектування центрифуги;

- визначення впливу масової частки ЗОР в стружці на видобування металу при плавці та якість отриманих сплавів;

- розробка технології утилізації відпрацьованих ЗОР.

Об'єкт дослідження - процес знежирення стружки кольорових металів методом центрифугування з подальшою високотемпературною сушкою.

Предмет дослідження - стружка алюмінієвого (АК5М2) і мідних (ЛС, ЛМцС, БрО3Ц12С5, БрА9Ж3Л) сплавів, забруднених ЗОР та вологою; сплави, отримані переплавкою стружки.

Методи дослідження. У роботі використовували комплекс методів: лабораторне моделювання процесів, що вивчаються, хімічний і ситовий аналізи, фізико-механічні випробування, металографічні дослідження структури сплавів. Механічні та технологічні властивості сплавів, металургійний вихід визначали за стандартними та атестованими методиками. При обробці експериментальних даних використовували методи статистичного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні висновки та положення, що характеризують наукову новизну роботи, полягають у наступному:

- розроблена математична модель процесу відділення ЗОР від стружки залежно від параметрів центрифугування: чинника розділення центрифуги, тривалості обробки та температури;

- встановлена залежність, описана емпіричною формулою, коефіцієнта тертя ковзання стружки з різною масовою часткою ЗОР від коефіцієнта перевантаження, чисельно рівного чиннику розділення центрифуги, що дозволило визначити основний параметр для конструювання центрифуги - кут конусності ротора;

- вперше встановлено залежність металургійного виходу при переплавці стружки від крупності стружки та початкової і залишкової масової частки ЗОР у кожній фракції.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена комплексна технологія підготовки відходів до плавки, що включає грохочення, дроблення, центрифугування і термічну сушку стружки алюмінієвих та мідних сплавів, а також утилізацію відпрацьованих ЗОР.

Дані, що отримані в результаті досліджень властивостей та характеристик стружки, використані при проектуванні центрифуги оригінальної конструкції ЦС-1000. Залежності, що встановлені для стружки алюмінієвих та мідних сплавів, як предмету дослідження, можуть бути поширені на стружку інших кольорових металів і сплавів, оскільки мають загальний характер.

Впровадження у технологічну лінію підготовки стружки операції центрифугування дозволило стабілізувати роботу установок для термічного знежирення стружки та збільшити їхню продуктивність на 1,5 - 2,0 т/год., зменшити витрату палива на термічне знежирення на 70 - 80 кг умовного палива на 1т сухої стружки; збільшити металургійний вихід при переплавці стружки на 6 - 10 %; підвищити значення фізико-механічних та технологічних властивостей вторинних сплавів до рівня первинних.

Практичне використання результатів досліджень підтверджується актами впровадження у проект ліній підготовки до плавки стружки на Донецькому заводі кольорових сплавів та Карабашському міделиварному комбінаті. Розроблено технологічний регламент для проектування цеху переробки відходів кольорових металів у ВО «КАМАЗ».

Орієнтовний економічний ефект від впровадження лінії підготовки стружки до плавки при річному об'ємі стружки 3000 т, що переробляється, складає для алюмінієвої стружки - 520 тис. грн.; для мідної - 3820 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Здобувач особисто запропонував для очищення стружки від ЗОР використовувати центрифугування у поєднанні з подальшим термічним знежиренням. Усі експериментальні дослідження з вивчення відцентрової фільтрації ЗОР, тертя стружки об фільтрувальну поверхню ротора центрифуги, плавки стружки проведені особисто автором.

Крім того, автором вивчено вплив масової частки ЗОР на металургійний вихід при плавці стружки, досліджено механічні та технологічні властивості виплавлених сплавів. У роботах, опублікованих в співавторстві, претендент брав участь у постановці завдань, розробці методик, обробці, аналізі та узагальненні результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи представлені у доповідях на наступних науково-технічних конференціях та семінарах: «Нові технології та обладнання по переробці промислових відходів і їх медико-екологічне забезпечення» (Трускавець, 2001); «Науково-технічні аспекти використання відходів кольорової металургії, в тому числі, алюмінієвої промисловості і суміжних з нею виробництв» (Рівне, 2002); «Проблемы механики горно-металлургического комплекса» ( Дніпропетровськ, 2002); «Вітчизняний та міжнародний досвід переробки відходів» (Київ, 2002); «Нові технології та обладнання по переробці промислових та побутових відходів і їх медико-екологічне забезпечення» ( Східниця, 2003); «Донбас-2020: наука і техніка - виробництву» (Донецьк, 2006); «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очищення природних і стічних вод» (Миргород, 2007; 2008); «Металургия цветных металлов. Проблемы и перспективы» (Москва, МІСіС, 2009); VII Конгрес збагачувачів (Москва, МІСіС, 2009).

Публікації. Основний зміст дисертації викладений в двадцяти чотирьох друкарських роботах, вісім з яких опубліковано у спеціалізованих наукових виданнях, затверджених ВАК України, а також у тезах десяти конференцій (у тому числі, міжнародних), в трьох авторських свідоцтвах СРСР і одному патенті України.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з введення, 6 розділів, виводів, списку використаних джерел. Об'єм дисертації - 120 сторінок основного тексту, 28 рисунків, 17 таблиць, 3 додатки, використаних джерел - 103.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і завдання роботи, відмічена її відповідність державним програмам, приведена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, представлені відомості про апробацію.

У першому розділі виконано аналіз існуючих технологій підготовки до плавки стружки кольорових металів, що містить ЗОР.

У світовій практиці відомі наступні методи видалення ЗОР з металевих поверхонь: гідрохімічні, механічні та термічні. Гідрохімічне знежирення полягає у видаленні ЗОР за допомогою розчинників (бензин, гас, уайт-спірит, ефір та ін.) або водних розчинів технічних миючих засобів, виготовлених на основі поверхнево-активних речовин (ПАР). Оскільки використання розчинників пов'язане з їхньою пожежною небезпечністю та токсичністю, у вітчизняній практиці вказані способи не застосовуються.

До механічних способів можна віднести спосіб видалення ЗОР за допомогою ультразвуку, брикетування та центрифугування. До недоліків способу очищення за допомогою ультразвуку можна віднести необхідність вживання дорогого ультразвукового устаткування та спеціальних рідких засобів. Тому цей спосіб застосовується украй рідко. Використання брикетування для очищення від ЗОР доцільно застосовувати лише для свіжої стружки, тобто такої, що не піддавалася тривалому зберіганню.

У світовій практиці застосовується спосіб відділення ЗОР від стружки у полі відцентрових сил. Аналіз робіт, проведених у Росії, Україні та інших країнах, показав, що центрифуги для очищення стружки чорних металів не можуть застосовуватися для центрифугування стружки кольорових металів, оскільки в їхній конструкції використовується магнітний спосіб розвантаження стружки.

Основним методом очищення стружки кольорових металів від ЗОР, який широко вживається в теперішній час, є термічне знежирення, що здійснюється у сушильних установках при температурі 400 - 450 ^оС. Проте використовувати для підготовки стружки до плавки лише термічне знежирення недостатньо ефективно, тому що великі коливання умісту ЗОР у вихідній стружці призводять до нестабільної роботи сушильних установок та можливих спалахів масляних ЗОР. Тому доцільно перед термічним знежиренням зробити максимально можливе попереднє видалення ЗОР.

Для вибору найефективнішого способу попереднього видалення ЗОР проводили плавки стружки сплаву АК5М2, підготовленої за різними технологіями. Ґрунтуючись на результатах плавок, був вибраний найефективніший спосіб очищення стружки від ЗОР. Як видно з даних табл. 1, найраціональнішим способом є вживання центрифугування з подальшим термічним знежиренням. Ця технологія забезпечує найменші втрати металу та найменшу витрату палива при плавці.

У другому розділі приведено опис устаткування та методи досліджень. Дослідження процесу центрифугування проводили на лабораторній центрифузі періодичної дії, для чого використовували відцентровий сепаратор з ротором, в бокових стінках якого є отвори для видалення ЗОР і встановлена знімна сітчаста корзина.

Масову частку ЗОР у стружці до і після центрифугування визначали за методикою, що викладено в ГОСТ 28053-89.

Гранулометричний склад стружки визначали ситовим аналізом шляхом розсівання на ситах з отворами діаметром 20,00; 10,00; 5,00; 2,50 та 1,25 мм. Дослідження підготовчих процесів проводили на устаткуванні, що серійно випускалося, та дослідно-промисловому: дроблення - на експериментальній дробильній установці конструкції ДонНДПІКМ; грохочення - на барабанному грохоті типу ГБП 1,86х5,6 і на віброгрохоті типу ГВ-06; відділення крупних кускових відходів від стружки - на відбійно-повітряному сепараторі конструкції ДонНДПІКМ.

Дослідження визначення тертя ковзання стружки об фільтрувальну поверхню ротора проводили за допомогою трибометра.

Визначення металургійного виходу проводили за ГОСТ 28053-89. Хімічний склад сплаву АК5М2 визначали за стандартами групи ДСТУ ГОСТ 11739:2004, сплавів ЛС і ЛМцС - за стандартами групи ГОСТ 1652-77, сплаву БрО3Ц12С5 - за стандартами групи ГОСТ 1953-79, сплаву БрА9Ж3Л - за стандартами групи ГОСТ 15027-77.

Вивчення мікроструктури сплавів з метою визначення пористості проводили на оптичному мікроскопі «NEOPHOT». Випробування на розтягування проводили на машині 1231-У10 за ДСТУ EN 10002-1:2006. Випробування з визначення рідкоплинності та лінійного зіступу проводили за методиками ДонНДПІКМ.

Математичну обробку експериментальних даних здійснювали із застосуванням методів математичної статистики.

У третьому розділі розглянуті питання підготовки стружки до центрифугування. Стабільність роботи центрифуг тим вище, чим менше уміст у сировині виткоподібної стружки та кускових відходів. Для відділення кускових відходів та виткоподібної стружки від сипкої були досліджені процеси грохочення, дроблення та відбійно-повітряної сепарації. Схему підготовки стружки приведено на рис. 1.

В результаті досліджень визначені раціональні режими грохочення, відбійно-повітряній сепарації, режимні та конструктивні параметри робочого органу дробарки, що забезпечують отримання продукту класу - 20 мм.

Ефективність грохочення склала 94 - 97 %. Вміст стружки у кусковому продукті відбійно-повітряного сепаратора склав не більше 2 %.

У четвертому розділі приведені результати досліджень процесу центрифугування стружки кольорових металів.

Основними технологічними показниками, що впливають на центрифугування стружки у центрифузі періодичної дії, є чинник розділення (F_r), тривалість центрифугування (ф), товщина шару стружки в роторі. У центрифугах безперервної дії до них додаються частота та амплітуда вібрацій ротора, кут конусності ротора, який визначається залежно від коефіцієнта тертя стружки з ЗОР об фільтрувальну поверхню.

Чинник розділення центрифуги визначається за формулою:

F_r = ,

де - кутова швидкість ротора, с^-1;

r - радіус ротора, м;

g - прискорення сили тяжіння, м/с².

Рис. 1. Схема підготовки стружки до плавки

Дослідження виконували на лабораторній центрифузі періодичної дії. Проби сипкої стружки змішували з різними ЗОР (на водній та масляній основах). Масову частку ЗОР у стружці до (W_о) і після центрифугування (W_ц) визначали відповідно до методики, що викладено у ГОСТ 28053-89.

Чинник розділення центрифуги (F_r) змінювали в інтервалі від 0 до 400, тривалість центрифугування (ф) - від 30 до 300 с. Використовували сипку стружку сплавів АК5М2, ЛС, ЛМцС, БрО3Ц12С5 і БрА9Ж3Л.

На рис. 2 і 3 наведені залежності W_ц = f(F_r) і W_ц = f(ф) (відповідно), які відображають узагальнені результати центрифугування стружки сплаву АК5М2 та мідних сплавів ЛС, ЛМцС, БрО3Ц12С5, БрА9Ж3Л з різними ЗОР. Верхня крива відповідає максимальним значенням W_ц (стружка сплаву ЛС), нижня, - мінімальним (стружка сплаву БрО3Ц12С5).

Рис. 2. Залежність масової частки ЗОР на стружці сплавів кольорових металів від чинника розділення при тривалості центрифугування 60с:

1 - стружка сплава ЛС;

2 - стружка сплава БрО3Ц12С5

Рис. 3. Залежність масової частки ЗОР на стружці сплавів кольорових металів від тривалості центрифугування при чиннику розділення 150:

1 - стружка сплава ЛС;

2 - стружка сплава БрО3Ц12С5

Після математичної обробки результатів експериментів із застосуванням регресійного аналізу були отримані рівняння у вигляді:

,

,

де А, B, n, m - коефіцієнти рівняння регресії (табл. 2).

На підставі результатів проведених експериментів і їхньої обробки визначено оптимальний режим центрифугування: F_r = 150, ф = 60с. Залишкова масова частка ЗОР на стружці при цьому режимі складає 0,5-4,2% залежно від марки сплаву і типу ЗОР.

Інтенсифікувати процес центрифугування можна, підвищуючи температуру стружки. Графік залежності W_ц = f(t) (для стружки сплаву ЛС, ЗОР - масло) наведений на рис. 4. Математичний опис залежності W_ц = f(t) дозволив отримати залежність у вигляді:

W_ц = а • t^c,

де t - температура, ^оС;

а, с - коефіцієнти рівняння регресії, а = 11,685, с = - 0,319.

Розрахункові значення коефіцієнтів А, B, n, m та кореляційних відношень

Марка сплаву	Тип ЗОР	W = f(Fr)	W = f(ф)
		А	n		B	m
АК5М2	вода	3,912	0,553	0,925	0,653	0,244	0,992
	емульсія	4,726	0,624	0,898	0,598	0,360	0,809
	масло	5,674	0,556	0,906	0,442	0,123	0,921
ЛС	вода	21,683	0,825	0,995	4,195	0,607	0,964
	емульсія	17,882	0,827	0,986	1,330	0,413	0,992
	масло	6,697	0,557	0,987	2,314	0,437	0,971
ЛМцС	вода	1,013	0,392	0,917	0,532	0,332	0,878
	емульсія	0,658	0,415	0,968	1,251	0,700	0,953
	масло	2,037	0,478	0,941	0,782	0,344	0,937
БрО3Ц12С5	вода	0,404	0,350	0,993	0,241	0,299	0,988
	емульсія	2,067	0,643	0,984	0,506	0,381	0,936
	масло	1,415	0,496	0,983	1,0	0,482	0,966
БрА9Ж3Л	вода	1,642	0,637	0,964	2,770	0,874	0,983
	емульсія	0,540	0,330	0,930	1,247	0,589	0,994
	масло	4,364	0,680	0,972	1,385	0,599	0,984



Рис. 4. Залежність масової частки ЗОР на стружці сплаву ЛС від температури (F_r = 150; ф = 60с)

З даних рис. 4 виходить, що підвищення температури стружки від 20 до 80 ^оС приводить до зменшення масової частки масла на 36 відн. %.

Після математичної обробки отриманих результатів центрифугування з врахуванням впливу температури одержали для стружки сплаву ЛС (ЗОР - масло) наступне узагальнене рівняння:

W = B · F_r ^p· ф^k· t^q

де В, p, k, q - коефіцієнти (B = 3,85; p = - 1,72; k = 0,048; q = 2,59).

Характеристикою сил тертя стружки об сталеву фільтрувальну поверхню є коефіцієнт тертя f_c, за значенням якого визначається кут конусності ротора центрифуги. Дослідження процесу тертя стружки алюмінієвих та мідних сплавів проводили в умовах, що моделюють її центрифугування. Експериментальні залежності коефіцієнта тертя ковзання стружки з різною масовою часткою ЗОР від коефіцієнта перевантаження, чисельно рівного чиннику розділення центрифуги, описуються за формулою:

,

де b і d - коефіцієнти.

Розрахункові значення коефіцієнтів b і d наведені у табл. 3.

Таблиця 3

Результати регресійного аналізу експериментальних даних, що отримані при дослідженні тертя стружки об сталеву пластину

Марка сплаву	Змащувальна рідина	b	d
АК5М2	вода	0,946	-0,085	0,985
	емульсія	0,272	-0,126	0,990
	масло	0,304	-0,119	0,990
ЛС	вода	0,304	-0,074	0,870
	емульсія	0,417	-0,167	0,976
	масло	0,324	-0,086	0,996
ЛМцС	вода	1,182	-0,342	0,990
	емульсія	0,723	-0,251	0,972
	масло	1,162	-0,268	0,960
БрА9Ж3Л	вода	0,699	-0,271	0,964
	емульсія	0,455	-0,193	0,943
	масло	0,562	-0,228	0,988
БрО3Ц12С5	вода	0,269	-0,076	0,992
	емульсія	0,222	-0,067	0,866
	масло	0,263	-0,079	0,845

Отримані дані використані при розробці конструкції центрифуги ЦС-1000.

У п'ятому розділі представлені результати вивчення впливу масової частки ЗОР на витягування металу при плавці. З цією метою проводили плавку «сирої» стружки (стружки з масовою часткою ЗОР 15 %) та підготовленої у двох режимах: термічне знежирення стружки при температурі 400 - 450 ^оС до досягнення залишкової масової частки ЗОР 0,15 % (режим 1) та центрифугування стружки (початкова масова частка ЗОР 15,0 %, залишкова 0,5 - 4,2 %) при чиннику розділення центрифуги F_r = 150 та тривалості центрифугування ф = 60с з подальшим термічним знежиренням також до залишкової масової частки ЗОР 0,15 % (режим 2).

Дослідження проводили на стружці ливарного алюмінієвого сплаву марки АК5М2 та мідних сплавів: бронз БрА9Ж3Л, БрО3Ц12С5 і латуней ЛС, ЛМцС. Гранулометричний склад стружки представлено у табл. 4.

Таблиця 4

Гранулометричний склад стружки кольорових металів

Клас крупності, мм	Вихід, %
	Мідні сплави	Алюминієвий сплав АК5М2
	ЛС	ЛМцС	БрО3Ц12С5	БрА9ЖЗЛ
+20	-	-	-	2,00	-
-20+10	0,65	2,50	-	20,80	15,20
-10+5	3,20	34,95	2,10	44,60	43,90
-5+2,5	7,55	27,36	23,20	10,80	28,90
-2,5+1,25	12,60	17,00	9,30	11,50	8,70
-1,25	76,00	18,19	65,40	10,30	3,30
Усього:	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00

Оскільки важче відділяються при центрифугуванні стружки масляні ЗОР, то в експерименті як ЗОР використовували індустріальне масло І-12А. Підготовлену у режимах 1 і 2 стружку плавили в тигельній електропечі опору.

Оцінку ефективності знежирення стружки проводили шляхом визначення металургійного виходу при її плавці (табл. 5). Металургійний вихід (М), у відсотках, розраховували за формулою:

М = (m_п/m)·100,

де m_п - маса металу після плавки, г;

m - маса стружки, г.

Як виходить з даних табл. 5, металургійний вихід для усіх сплавів збільшується в порівнянні з плавкою «сирої» стружки як при плавці стружки після термічного знежирення (режим 1), так і при плавці стружки, підданої попередньому центрифугуванню з подальшим термічним знежиренням (режим 2) Зростання металургійного виходу при плавці стружки, підготовленої за режимом 2, в порівнянні з підготовкою її за режимом 1, не дивлячись на однакову залишкову масову частку ЗОР в обох випадках, обумовлено зменшенням окислення металу при згоранні під час сушки стружки набагато меншої кількості ЗОР.

Таблиця 5

Результати розрахунку металургійного виходу

Марка сплаву	Металлургійний вихід при плавці, %
	«Сира» стружка (масова частка ЗОР 15 %)	Стружка після термічного знежирення (масова частка ЗОР 0,15 %) режим 1	Стружка після центри-фугування і термічного знежирення (масова частка ЗОР 0,15 %) режим 2
АК5М2	80,36	85,30	90,60
ЛС	84,85	86,51	90,85
ЛМцС	83,83	86,03	91,02
БрО3Ц12С5	82,20	85,46	90,30
БрА9ЖЗЛ	83,62	85,98	91,64

Відомо, що видобування металу при плавці відходів залежить від їхньої засміченості та крупності. Математична обробка результатів плавки стружки різних класів крупності і з різною масовою часткою ЗОР дозволила отримати формулу визначення металургійного виходу у наступному вигляді:

· 100,

де m_n - маса металу після плавки, г;

P_i - відносна частка стружки i - того класу крупності;

W_i - масова частка ЗОР в стружці i - того класу крупності;

m - маса стружки, г;

N - кількість класів крупності.

Пористість литого металу, виплавленого із стружки, підготовленої у режимах 1 і 2, порівнювали з пористістю металу, виплавленого з кускових відходів. Дослідження структури проводили на шліфах поперечного перетину злитків сплавів АК5М2 і ЛС з використанням оптичного мікроскопа «NEOPHOT».

У структурі обох сплавів, виплавлених з «сирої» стружки, спостерігається велика кількість пор, що відповідає 5-у балу за п'ятибальною шкалою пористості. Значно менша пористість зафіксована у металу, виплавленому зі стружки, після термічного знежирення (режим 1) - 3-й бал пористості. І, нарешті, структура металу, виплавленого зі стружки, підданої послідовно центрифугуванню та сушці (режим 2), характеризується наявністю лише окремих дрібних пір, практично не відрізняється від структури металу, узятого для порівняння та виплавленого з шихти, що не містить стружку, і відповідає 1-у балу пористості.

Таким чином, проведені дослідження показали, що попереднє (перед термічним знежиренням) центрифугування дозволяє отримати при переплавці стружки метал щільної структури з мінімальною пористістю та високим металургійним виходом.

З метою визначення впливу способу підготовки стружки до плавки на фізико-механічні і технологічні властивості отриманих сплавів проводили випробування за визначенням наступних параметрів: границі міцності під час розтягування R_m; умовної границі плинності під час видовження R_p0,2; відносного видовження A; рідкоплинності; лінійного зіступу.

Для визначення фізико-механічних властивостей використовували сплави АК5М2 і ЛС, виплавлені зі стружки, підготовленої у режимах 1 і 2. Було встановлено, що за хімічним складом дослідні сплави відповідають стандартним маркам сплавів АК5М2 і ЛС.

З наведених в табл. 6 і 7 даних видно, що використання проміжного центрифугування в процесі підготовки стружки до плавки призводить до підвищення механічних і технологічних властивостей виплавлених сплавів.

У шостому розділі розглядаються способи утилізації фільтрату центрифуг (відпрацьованих ЗОР, що отримано після центрифугування стружки). У стружці найчастіше міститься суміш ЗОР (масляні та водні), тому, перш за все, необхідно було відокремити масло від води. Найбільш поширеним методом виділення масел є відстоювання.

Таблиця 6 Механічні та ливарні властивості сплаву АК5М2, отриманого зі стружки, підготовленої за різними режимами

Спосіб підготовки стружки до плавки	Границя міцності, Rm, МПа	Умовна границя плинності, Rp0,2, МПа	Відносне видовження, A, %	Рідкоплинність, мм	Лінійний зіступ, %
Стружка після термічного знежирення (режим 1)	155	110	0,3	420	0,66
Стружка після центрифугування та термічного знежирення (режим 2)	157	115	0,5	440	0,73

Таблиця 7

Механічні і ливарні властивості сплаву ЛС, отриманого зі стружки, підготовленої за різними режимами

Спосіб підготовки стружки до плавки	Границя міцності, Rm, МПа	Умовна границя плинності, Rp0,2, МПа	Відносне видовження, A, %	Рідкоплинність, мм	Лінійний зіступ, %
Стружка після термічного знежирення (режим 1)	270	80	12,0	500	1,80
Стружка після центрифугування та термічного знежирення (режим 2)	300	90	13,0	600	2,11

Дослідження проводили на штучних сумішах індустріального масла І-12А з водою та водною емульсією (3 % розчин емульсолу «Укрінол» у воді). Об'ємну частку масла у суміші приймали рівною 10, 20, 30, 40 та 60 %. Встановлено, що в результаті відстоювання впродовж 2 - 3,5 хв. утворюється масляна фракція з масовою часткою масла 65 - 85 % і водна фракція з масовою часткою масла не більше 1 %. Для отримання масляної фракції поліпшеної якості використовували центрифугування.

Встановлено, що для одержання масляної фракції якості, відповідної ГОСТ 21046-85 (масова частка води не більше 2 % і механічних домішок до 1%), необхідно проводити центрифугування при чиннику розділення 4000 впродовж 15 хв.

Основною метою утилізації водної фракції емульсій є отримання з них технічно чистих оборотних та стічних вод. Для цього була досліджена хімічна нейтралізаційна коагуляція емульсій. Як деемульгатор використовували сірчану кислоту різної концентрації 100, 50, 25, 20, 15, та 10 мг/л. Встановлено, що при додаванні до емульсії 10 - 20 мг/л сірчаної кислоти, а потім відстоюванні і центрифугуванні при чиннику розділення 4000 впродовж 10 хв. відбувається розшарування емульсії на масляну плівку та прозорий розчин. Для нейтралізації отриманого розчину (рН від 0,6 до 1,1) додавали гашене вапно. Встановлено, що для одержання рН від 7 до 7,5 концентрація гашеного вапна повинна складати 50 мг/л. Вода, що утворюється в результаті розкладання емульсії, після стандартного очищення від солей жорсткості застосовується в оборотному водопостачанні.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено підвищення металургійного виходу отриманих алюмінієвих та мідних сплавів при переплавці стружки до 90 % та більше, рівня фізико-механічних і технологічних властивостей (границь міцності і плинності, відносного видовження, рідкоплинності, лінійного зіступу) за рахунок попередньої обробки стружки центрифугуванням.

2. За результатами проведених плавок стружки, яку підготовлено за різними технологіями, зроблено вибір найефективнішого способу підготовки стружки до плавки - центрифугування з подальшим термічним знежиренням.

3. Математичною обробкою результатів досліджень центрифугування стружки отримано рівняння регресії, яке описує залежність залишкової масової частки ЗОР від чинника розділення центрифуги та тривалості центрифугування. Визначені оптимальні параметри процесу центрифугування: F_r = 150 і ф = 60 с. Залишкова масова частка ЗОР у стружці при цьому режимі складає 0,5 - 4,2 % залежно від марки сплаву та типу ЗОР.

4. Запропоновано для інтенсифікації центрифугування використовувати попереднє нагрівання стружки. Із застосуванням регресійного аналізу отримані залежності залишкової масової частки ЗОР від температури стружки. Встановлено, що збільшення температури стружки до 80 ^оС призводить до зниження залишкової масової частки ЗОР на 36 відн. %.

5. На підставі результатів проведених експериментів із застосуванням регресійного аналізу построєна математична модель відділення ЗОР від стружки. Отримана модель встановлює залежність ефективності відділення ЗОР від стружки від технологічних параметрів центрифугування (чинника розділення центрифуги, тривалості обробки, температури стружки) і фізико-хімічних констант сплавів та ЗОР, що використовувались. Визначені кореляційні відношення показують, що відхилення оцінки залишкової масової частки ЗОР від істинної практично достовірно з вірогідністю 95 %.

6. Дослідження тертя стружки об фільтрувальну поверхню ротора дозволили визначити чисельне значення основного конструктивного параметра центрифуги - кута конусності ротора та використання вібрації при вивантаженні стружки. Отримані дані використані при проектуванні центрифуги ЦС-1000.

7. Для стабілізації роботи центрифуг розроблена технологія підготовки стружки до центрифугування, що включає дроблення, грохочення стружки та відбійно-повітряну сепарацію.

8. Встановлено, що використання центрифугування стружки при F_r = 150 і ф = 60 с з подальшим термічним знежиренням призводить до збільшення металургійного виходу на 6 - 10 %. Підраховано, що зменшення втрат металу при плавці стружки досягає 50 т на 1 тис. т переплавленої стружки.

9. Металографічні дослідження показали, що сплави АК5М2 і ЛС, виплавлені зі стружки, яку підготовлено до плавки за допомогою центрифугування з подальшим термічним знежиренням, мають щільну структуру з мінімальною пористістю, що практично не відрізняється від мікроструктури сплавів, виплавлених з кускових відходів.

10. Встановлено, що вживання проміжного центрифугування призводить до підвищення механічних та технологічних властивостей отриманих сплавів (границя міцності під час розтягування збільшується на 2 - 11 %, умовна границя плинності під час видовження - на 4 -12 %, відносне видовження - на 6 - 8 %, рідкоплинність - на 4 - 20 %, лінійний зіступ - на 10 - 17 %).

11. На підставі проведених досліджень розроблена технологія утилізації фільтрату центрифуг - відпрацьованих ЗОР (відстоювання - хімічна коагуляція - відстійне центрифугування). Використання розробленої технології дозволяє отримати масло і воду, придатні для повторного вживання. Очікуваний економічний ефект від впровадження лінії підготовки стружки до плавки при річному об'ємі стружки 3000 т, що переробляється, складає для алюмінієвої стружки - 520 тис. грн.; для мідної - 3820 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мирович И. Э. Оптимизация процесса центрифугирования стружки цветных металлов/ И. Э. Мирович, Г. А. Колобов//Теория и практика металлургии. -1998.- № 3. - С. 31-32.

2. Колобов Г. А. Моделирование процесса подготовки стружки цветных металлов, содержащей смазочно-охлаждающие жидкости, для металлургического передела/ Г. А. Колобов, И. Э. Мирович// Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1998. - № 4. - С. 52-54.

3. Мирович И. Э. Влияние содержания влаги и масла в стружке на извлечение цветных металлов при плавке/ И. Э. Мирович, Г. А. Колобов, Н. А. Баланаева// Металлургия: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 1999. - № 2. - С. 58-60.

4. Мирович И. Э. Оптимизация процесса центрифугирования стружки алюминиевых сплавов/ И. Э. Мирович, Г. А. Колобов, В. А. Золотухин, М. Ю. Пазюк// Металлургия: Сб. научн. трудов. - Запорожье: ЗГИА, 2001. - № 4. - С. 50-52.

5. Мирович И. Э. Исследование технологии утилизации смазочно-охлаждающих жидкостей, полученных при центрифугировании стружки цветных металлов/ И. Э. Мирович, Г. А. Колобов, В. А. Золотухин// Теория и практика металлургии. - 2001. - №6. - С. 56-58.

6. Колобов Г. А. Исследования процесса подготовки стружки цветных металлов к металлургическому переделу/ Г. А. Колобов, И .Э. Мирович// Металургія: Зб. наук. праць.- Запоріжжя: ЗДІА, 2005. - № 12. - С. 49-52.

7. Мирович И. Э. Экспериментальное моделирование процесса центрифугирования стружки цветных металлов, содержащей смазочно-охлаждающую жидкость/ И. Э. Мирович, Г. А. Колобов, Е. А. Мирович, В. А. Скачков// Теория и практика металлургии. - 2007. - № 2-3.- С. 38-40.

8. Колобов Г. А. Исследование технологии подготовки стружки цветных металлов к центрифугированию/ Г. А. Колобов, И. Э. Мирович// Теория и практика металлургии. - 2008.- №5-6, С.20-24.

9. Кравченко Н. Д. Перспективы применения центрифугирования стружки алюминиевых сплавов с утилизацией СОЖ/ Н. Д Кравченко, К. П. Козловский, И. Э. Мирович// Проблемы ресурсосбережения во вторичной цветной металлургии: Научные труды Института титана. - Запорожье, 1990. - С.107-113.

10. Кравченко Н. Д. Центрифугирование стружки сплавов на медной основе/ Н. Д. Кравченко, К. П. Козловский, И. Э. Мирович// Вопросы экологии и ресурсосбережения в переработке отходов цветной металлургии: Научные труды Института титана - Запорожье, 1991.- С.84-89.

11. Колобов Г. А. Утилизация отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей/ Г. А.Колобов, И. Э. Мирович, В. А. Золотухин, И. А. Панченко// Нові технології та обладнання по переробці промислових відходів і їх медико-екологічне забезпечення: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2001. - С.72-74.

12. Мирович И. Э. Комплексный подход к проблеме утилизации алюминиевой стружки / И. Э. Мирович, Г. А. Колобов, В. А. Золотухин// Науково-технічні аспекти використання відходів кольорової металургії, в тому числі алюмінієвої промисловості і суміжних з нею виробництв: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2002. - С.37-40.

13. Колобов Г. А. Применение отбойно-воздушной сепарации стружки цветных металлов для обеспечения стабильной работы центрифуг/ Г. А. Колобов, В. Н. Бредихин, И. Э. Мирович, К. П. Козловский// Проблемы механики горно-металлургического комплекса: Материалы конференции, - Днепропетровск: Национальная горная академия Украины, 2002. - № 13 (3). - С.5-8.

14. Колобов Г. А. Исследование центрифугирования стружки цветных металлов, содержащей смазочно-охлаждающие жидкости / Г. А. Колобов, И. Э. Мирович// Вітчизняний та міжнародний досвід переробки відходів: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2002.- С.53-55.

15. Мирович И. Э. Разработка технологии утилизации отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей / И. Э. Мирович, Г. А. Колобов // Нові технології та обладнання по переробці промислових та побутових відходів і їх медико-екологічне забезпечення: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2003.- С.105- 108.

16. Мирович И. Э Переработка отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей, полученных в результате центрифугирования стружки цветных металлов/ И. Э. Мирович, Г. А. Колобов// Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод: Матеріали конференції. - К.: Знання України, 2007.- С.95- 97.

17. Мирович И. Э Оценка эффективности подготовки стружки цветных металлов к плавке [Электронный ресурс]/ И. Э. Мирович, Е. А. Мирович// Донбас-2020: наука і техніка виробництву: Труди конференції. - Донецк, 2006.- С.232-237.- 1електрон. опт. диск (DVD-RW).

18. Колобов Г. А. Разработка технологии утилизации водной фазы отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей/ Г. А. Колобов, И. Э. Мирович// Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очищення природних стічних вод: Матеріали конференції. - К.:Знання України, 2008.- С.105- 107.

19. Колобов Г. А. Комплексная технология подготовки стружки цветных металлов к плавке/ Г. А. Колобов, И. Э. Мирович// Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы: Международная научно-практическая конференция, тезисы докл. - М.: МИСИС, 2009. - С.309-310.

20. Кожанов В. А. Изучение свойств стружки цветных металлов как объекта центрифугирования [Электронный ресурс]/ В. А. Кожанов, И. Э. Мирович, Г. А. Колобов// VII Конгресс обогатителей: Сб. тезисов докладов. - М.: МИСИС, 2009.-С.14-16.- 1электрон. опт. диск (DVD-RW).

21. А.с. 1425928 СССР, МКИ⁴ В 04 В 3/00. Способ обезжиривания металлической стружки/ Н. Д. Кравченко, К. П. Козловский, В. В. Губенко, И. Э. Мирович (СССР). - №4150454/23-13; заявл. 24.11.86; зареєстр. 22.05.88.

22. А.с. 1423165 СССР, МКИ⁴ В 04 В 3/00. Центрифуга для обезжиривания металлической стружки/ Н. Д. Кравченко, К. П. Козловский, И. Э. Мирович, В. В. Губенко (СССР). - №4084414/22-13; заявл. 02.07.86; заре. 15.05.88; опубл.15.09.88, Бюл. № 34.

23. А.с. 1720201 СССР, МКИ⁵ В 04 В 3/00. Способ отделения жидкой фазы от твердой фракции/ Н. Д. Кравченко, К. П. Козловский, И. Э. Мирович (СССР). - № 4690219/13; заявл. 28.02.89; зарег. 15.11.91.

24. Пат. 79856 Україна, МПК⁵¹(2006) В04В 3/00, С23G5/00. Спосіб знежирювання сипучої металевої стружки/ Козловський К. П., Мирович І. Е., Колобов Г.О.; заявник та тримач патенту ДонНДПІКМ. - № а2005 08220; заявл. 22.08.05; опубл. 25.07.2007, Бюл. № 11.

АНОТАЦІЇ

Мирович І.Е. Удосконалення технології підготовки стружки до плавки з метою підвищення якості вторинних кольорових металів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 - металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів. Запорізька державна інженерна академія, Запоріжжя, 2010.

Дисертація присвячена рішенню науково-технічної задачі переробки відходів алюмінієвих та мідних сплавів у вигляді стружки, яку забруднено, змащувально-охолоджучими рідинами (ЗОР), і удосконалення підготовки стружки до плавки шляхом введення в технологічний цикл операції центрифугування для видалення більшої частини ЗОР перед термічним знежиренням стружки. Актуальність роботи визначається тим, що загальноприйнята технологія підготовки стружки супроводжується значними втратами металів при переплавці стружки і зниженням їхньої якості.

Оптимізовано основні технологічні параметри процесу центрифугування, встановлено взаємозв'язок між режимами підготовки стружки до плавки і металургійним виходом при переплавці стружки в компактний метал. Розроблена конструкція центрифуги, яку спеціально призначено для стружки кольорових металів.

На основі проведених досліджень розроблена технологія підготовки до плавки стружки кольорових металів, що дозволяє стабілізувати роботу сушильних установок, збільшити металургійний вихід при плавці стружки на 6 - 10%, підвищити фізико-механічні та технологічні властивості виплавлених сплавів. Розроблена технологія упроваджена в проект ліній з підготовки стружки до плавки на Донецькому заводі кольорових сплавів та Карабашському міделиварному комбінаті. Розроблено технологічний регламент для проектування цеху з переробки відходів кольорових металів для ВО «КАМАЗ».

Ключові слова: центрифугування, стружка, змащувально-охолоджуючі рідини, вторинні кольорові метали, металургійний вихід, властивості сплавів.

Мирович И.Э. Усовершенствование технологии подготовки стружки к плавке с целью повышения качества вторичных цветных металлов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов. - Запорожская государственная инженерная академия, Запорожье, 2010.

Диссертация посвящена повышению качества и уменьшению потерь сплавов цветных металлов при переплаве стружки за счет усовершенствования подготовки стружки путем отделения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в поле центробежных сил и разработке на этой основе технологии, позволяющей уменьшить выбросы продуктов сгорания СОЖ в атмосферу и повторно использовать отработанные СОЖ.

Существующая технология подготовки стружки цветных металлов, загрязненной СОЖ и влагой до 30 % по массе, заключается в проведении только термического обезжиривания. Большие колебания содержания СОЖ в исходной стружке являются причиной неустойчивой работы сушильных установок в автоматическом режиме, что может привести к возгоранию масел. При этом стружка интенсивно окисляется, что сопровождается значительными потерями металлов при переплаве стружки и снижением качества получаемых сплавов.

Для устранения выявленных недостатков предложено ввести в технологический цикл подготовки стружки дополнительную операцию центрифугирования для удаления большей части СОЖ перед термическим обезжириванием стружки.

Для реализации поставленной цели были проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению факторов, позволяющих оптимизировать основные технологические параметры процесса центрифугирования, определена взаимосвязь между режимами подготовки стружки к плавке и металлургическим выходом при переплаве стружки в компактный металл и разработана конструкция центрифуги, предназначенной специально для стружки цветных металлов.

Разработана математическая модель, описывающая зависимость остаточного содержания СОЖ на стружке от фактора разделения центрифуги, продолжительности центрифугирования и температуры.

Установлена зависимость коэффициента трения скольжения стружки о фильтрующую поверхность ротора центрифуги с различным содержанием СОЖ от коэффициента перегрузки, численно равного фактору разделения центрифуги, что позволило определить угол конусности ротора - основной параметр для конструирования центрифуги. Установлена взаимосвязь металлургического выхода при переплаве стружки с крупностью стружки и исходным и остаточным содержанием СОЖ в каждой фракции.

На основании проведенных исследований разработана технология подготовки к плавке стружки цветных металлов, позволяющая стабилизировать работу сушильных установок, увеличить металлургический выход при плавке стружки на 6 - 10 %, повысить физико-механические и технологические свойства выплавленных сплавов. Разработанная технология внедрена в проект линий по подготовке стружки к плавке на Донецком заводе цветных сплавов и Карабашском медеплавильном комбинате. Разработан и принят технологический регламент для проектирования цеха по переработке отходов цветных металлов в ПО «КАМАЗ».

Ключевые слова: центрифугирование, стружка, смазочно-охлаждающие жидкости, вторичные цветные металлы, металлургический выход, свойства сплавов.

Mirovich I.E. Development of the Process of Turnings Preparation for Melting to Improve the Quality of Secondary Non-ferrous metals. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences after the specialty 05.16.02 - metallurgy of ferrous and non-ferrous metals and special alloys. - Zaporozhye State Engineering Academy, Zaporozhye 2010.

Thesis deals with the scientific and technical problems of processing of aluminum and copper alloys in the form of turnings, contaminated with lubricant-cooling liquids (LCL), and improving the preparation of turnings for melting by the introduction of a centrifugal separation operation in to technological cycle to remove most of LCL before the thermal degreasing of turnings.

The urgency of the work is determined by the fact that a general process of turnings preparation is accompanied by significant losses of metals during the melting of turnings and decrease of their quality.

The basic technological parameters of the centrifugal separation are optimized, the correlation between the modes of turnings preparation for melting and metallurgical output during the melting of turnings in to a compact metal is determined. The construction of centrifuge specially designed for non-ferrous turnings is developed.

On the base of investigations conducted it has been developed the process of preparation for melting of non-ferrous metals, allowed to stabilize the function of drying units, to increase the metallurgical output during the turnings melting, to increase physical and mechanical and technological properties of melted alloys.

Key words: centrifugal separation, turnings, lubricant-cooling liquids, secondary non-ferrous metals, metallurgical output, alloys properties

Размещено на Allbest.ru