автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Организация эффективного технологического процесса горячего цинкования на судостроительных предприятиях путем внедрения ресурсосберегающих технологий

На правах рукописи

Алексеев Александр Алексеевич

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕГО ЦИНКОВАНИЯ НА СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ПУТЕМ ВНЕДРЕНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2007

003066383

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный, научно-исследовательский институт технологии судостроения»

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор,

заслуженный деятель науки РФ, Дурнев Василий Дмитриевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, старший научный сотрудник Кабанов Евгений Борисович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Голлаяд Владимир Анатольевич

Ведущая организация - ОАО «Балтийский завод»

Защита диссертации состоится 41» маг 2007 г. в 7 7 ч на заседании диссертационного совета ДС411 005 01 в ФГУП «ЦНИИ технологии судостроения» по адресу 198096, Санкт-Петербург, Промышленная ул, д 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ЦНИИ технологии судостроения»

Автореферат разослан »

2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В С Головченко

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Эффекшшое использование материальных ресурсов является объективной необходимостью, обусзювленной требованиями, предъявляемыми к их расходованию в рыночных условиях. Подавляющее большинство действующих в настоящее время промышленных предприятий Росши создавалось до начала рыночных реформ. Активная часть основных фондов в значительной степени изношена и морально устарела, фганизационно-технологические структуры и применяемые технологии не соответствуют требованиям времени.

В современных условиях производство продукции в значительной степени следует оценивать по параметрам, характеризующим количество отходов, большое количество которых является наиболее объективным показателем несовершенства используемой технологической системы

Не менее остро вопросы экономии и эффективного использования материальных ресурсов сшят на судостроительных предприятиях, широко применяющих дорогостоящие цветные металлы и, в частности, цинк для горячего цинкования стальных труб судовых систем и других изделий, для лшья цинковых сплавов Используется цинк весьма неэффективно - на предприятиях образуется большое количество пенных цинкосодержащих отходов (ЦСО)

Организационными структурами судостроительных и других цинкопотребляющих производств (ЦПП) переработка ЦСО с целью возврата вторичных продуктов в основное производство не предусмотрена Это связано не только с несовершенством самих организационных структур, но и с отсутствием системных комплексных исследований и учета всех факторов, влияющих на проююдственно-технологаческие процессы и качество продукции в условиях действующего предприятия, которые должны лечь в основу разрабсгски современных ресурсосберегающих технологий, специального оборудования и осуществления реструктуризации производства.

Постоянное развитие цинковального производства в большинстве стран, а также возможность положительного решения вышеизложенных научных проблем подтверждают актуальность выбранной автором темы настоящей диссертационной работы. Поэтому исследования в данной области судостроительного производства весьма важны и целесообразны. Решение указанных проблем позволит качественно повысить эффективность, уровень организации и культуру производства, снизить нагрузку на окружающую среду

Падь и задачи исследований

Повышение эффективности использования цинка в судостроении путем разработай и внедрении ресурсосберегающих технологий и оборудования

Дня достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи

- выполнить анализ материальных, сырьевых, энергетических потоков на судостроительных предприятиях выполняющих горячее цинкование и других ЦПП,

- исследовать номенклатуру, свойства, условия и скорость образования ЦСО,

- рассмотрел, технологии переработки ЦСО и проанализировал. возможность их использования на предприятиях судостроительной промышленности и других ЦПГ1,

- разработал, технологии и оборудование для организации утилизации ЦСО в местах их образования, провести исследование свойств и пригодности продуктов ушпизации к возврату в основное производство,

- выполнить оценку экономической эффективности организации утилизации ЦСО в

Методы исследований

Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются исследования отечественных и зарубежных авторов в области горячею цинкования. В качестве инструментов исследования использовались системный, сшшсшческий, логистический, спектральный и химический анализы, металлографический метод и метод ускоренных коррозионных испытаний, моделирование организационно-тешолопиеских структур.

Научные результаты и их новизна

- выявлены и систематизированы факторы, влияющие на качество пофьпия, расход цинка и эффективность работы предприятия, доказана целесообразность организации утилизации ЦСО в местах их образования с целью использования продуктов утилизации в основном производстве;

- впервые выполнены системные комплексные исследования и описание условий, скорости образования, структуры, состава, свойств ЦСО, экспериментально подтверждена их пригодность к переработке в материалы применяемые в технологии горячего цинкования и литье цинковых сплавов,

- установлена зависимость между содержанием алюминия в расплаве ванны цинкования и соотношением образующихся ЦСО (изгари и гарщинка), что позволило обеспечить управление процессами их образования;

- доказана необходимость разработки специальной технологии, оборудования для переработки ЦСО в условиях предприятий, выполняющих горячее цинкование, с целью получения цинка, пригодного дня возврата в основное производство:

- разработан технологический процесс получения цинка из изгари; впервые, в условиях предприятий, выполняющих горячее цинкование, в результате переработки образующихся ЦСО, произведен цинк высокого качества, коррозионными испытаниями подтверждено, что защитные свойства сформированного на его основе покрытая соответствуют требованиям нормативных документов,

- разработаны технологии рафинирования вторичного цинка и гартцинка,

- разработаны технологические режимы переработки ЦСО предприятий, выполняющих литье цинковых сплавов,

- впервые исследованы свойства вторичного шлака, образующеюся в процессе переработки ЦСО, разработан способ и экспериментально подтверждена возможность переработки шлака в хлорид цинка, используемый в технологии горячего цинкования,

- выполнен логистический анализ организационно-технологических стругаур ЦПЦ предложены пути их совершенствования;

- сформулированы критерии выбора конструкции плавильной печи для переработки отходов ванн горячего цинкования.

Практическая ценность работы

Разработаны ресурсосберегающие технологии, оборудование и организационно-технологические структуры, внедрение которых обеспечило решение проблемы повышения эффективности использования цинка и сплавов на его основе на судостроительных и других ЦПП, культуры производства, сокращения количества опасных промышленных отходов, снижения нагрузки на окружающую среду

Научные исследования и практические работы по отработке и внедрению разработанных технологий выполнялись в период с 1994 по 2006 годы в лабораториях ЦНИИ КМ «Прометей» и ООО «НПО «Феникс», на предприятиях Санкт-Петербурга, Белгорода, Новгородской и Московской областей, Карелии, Финляндии

Апробация работы

Основные результаты исследований диссертационной работы использованы в текущей деятельности предприятий, при их реструктуризации и техническом перевооружении на

- ОАО «Балтийский завод», ОАО «Северная верфь», ОАО «БСК-335 завод» (Санкт-Петербург), ОАО «Вяртсильский металлургический завод» (Карелия), «KS-Smkki» Оу и «Teknotyo-Kuumasinkitys» Оу (Финляндия) - горячее цинкование,

- ООО «Топливные системы» (Санкт-Петербург) - литье цинковых сплавов,

- ОАО «Любытинский завод минеральных красок» (Новгородская область), ЗАО «Акора» (Московская область), ЗАО «Цибел» (Белгород) - производство лакокрасочных материалов и оксвда цинка,

- ООО «НПО «Феникс» (Санкт-Петербург) - производство цинка и сплавов на его основе, литьё сплавов под давлением,

- «Экспериментально-опытный завод» ФГОУВПО С-Пб ГУ (Санкт-Петербург), «ZinkOff» Оу (Финляндия) - производство плавильных печей

Разработанное для реализации технологии переработки цинкосодержащих отходов оборудование запатентовано в двадцати и эксплуатируется в двадцати восьми странах мира.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 печатных работах, включая 8 патентов и одно свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 77 наименований, содержит 127 страниц основного текста, 33 рисунка и 19 таблиц

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность талы и указывается направленность диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи исследования.

В первой главе «Анализ организации и эффективности технологического процесса горячего цинкования» представлен анализ современного состояния технологии и организации горячего цинкования, рассматриваются основные проблемы, связанные с низкой эффективностью использования цинка и большим количеством образующихся ЦСО Изучен технологический процесс горячего цинкования по РД5 9502788 «ПЬкрышя цинковые защитные стальных труб судовых систем. Технические требования. Типовой технологический процесс», выполнен анализ влияния различных факторов на структуру и качество цинкового покрытия, количество образующихся ЦСО, выполнен авалю организационно - технологических структур ЦПП, материальных и энергетических потоков в технологии горячего цинкования на судостроительных и других ЦПП, сформулированы задачи исследования, определены пути повышения экономической эффективности производств.

Покрытие, выполненное методом горячего цинкования, выгодно отличается от других защшных покрытий широким набором положительных свойств и качеств, среди которых следует отметить высокую технологичность процесса, формирование высокоэффективного, долговечного и законченного покрытия, сравшпельно низкую стоимость покрытая.

Именно этими обстоятельствами объясняется широкое распространение данного вида защитных шифьггий

Однако, в целом ряде случаев, при полном соблюдении технологии цинкования, качество покрытия снижается

- понижается качество сцепления цинкового покрытия с основой,

- образуются непокрытые, со значительным утолщением или утонением покрытия участки;

- покрытие хрупкое, растрескивается при изгибе и ряд других дефектов

Необходимость исправления дефекшого покрытия, иногда с полным удалением

последнего, с повторной подготовкой поверхности и повторным цинкованием, приводят к перерасходу цинка и других расходных материалов, резко снижают производительность и эффективность производства.

Еще од ним фактором, существенно влияющим на эффективность функционирования предприятий, выполняющих горячее цинкование, являются потери цинка, связанные с образованием отходов (поверхностных - изгарь и донных - гаргцинк) и уносом цинка вместе с отходами при их удалении. При традиционной организации процесса горячего цинкования до 15% цинка теряется в виде отходов. Такое расходование цинка нельзя считать высокоэффективным. На рис 1 представлена структурная схож технологического процесса горячего ц инкования, материальных и энергетических истоков.

Анализ структурной схемы свидетельствует, что процесс может быть усовершенствован, по мнению автора, за счет организации утилизации- отходов, образующихся в ваннах горячего цинкования, путем извлечения из них металлического цинка и возврата его в ванну цинкования,

Рис 1 Структурная схема технологического процесса горячего цинкования, материальных и энергетических потоков

- оксида тика, отделяемого вентиляционными фильтрами, путем его переработки в хлорвд цинка,

- тепла, удаляемого после филирования воздуха, путем использования его для сушки изделий после операции флюсования

Возникающие снижения качества покрытия и существенный перерасход цинка потребовали анализа вызывающих их причин.

Вопросам повышения эффективности и качества горячего ц инкования посвящены работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов О А. Вальдмана, РД Лейкина, ЕВ Проскурина, АР Сопжовской, ЛИ Шелудякова, ГА Колобова, ТГ Булыгиной, Д Хорсшава, Е. Кендлера, И. Тейццла, Г Хансена Однако, в этих работах не в полной мере учитывается характер образования и специфика свойств ЦСО ванн горячего цинкования, а также, особенности переработки малых объемов ЦСО в условиях предприятий горячего цинкования.

Научной основой создания безотходных и малоотходных производств является системный анализ технологических процессов и всего производства в целом как сложной многофакторной замкнутой системы.

Выполненный анализ позволил выявить производственные факторы, влияющие на произюдственно-технологическую и экономическую деятельность предприятия горячего цинкования Результаты их систематизации представлены нарис2

Рис 2 Факторы, влияющие на качество покрытия, расход цинка и эффективность работы предприятия

Как ввдно из схемы, на эффективность деятельности предприятий влияют такие показатели, как качество покрытая и эффективность использования вднка, который является главной составляющей затратной частно производства

Качество покрытия определяют две группы факторов. Факторы первой группы закладывают качество будущего покрытия (стабильность толщины покрытия, качество сцепления с основой, структура, внешний вид) и расход цинка. Эти факторы должны учитываться как конструкторами, так и технологами еще на стадии проектирования и изготовления изделия, подвергаемого горячему цинкованию, причем в равной степени, как в отношении изделия в целом, так и каждой составляющей его детали.

Факторы второй группы относятся непосредственно к технологии горячего цинкования Установлено, что эти факторы, за исключением завершающей процесс цинкования операции охлаждения, носят комплексный характер и оказывают также непосредственное влияние на процесс образования отходов Факторы третьей 1руппы определяются типом применяемой ванны цинкования, интенсивностью ее эксплуатации, что также влияет и на процесс образования отходов.

Организация утилизации образующихся ЦСО непосредственно влияет на повышение эффективности использования цинка

В результате анализа технологических процессов и результатов работы предприятий, выполняющих горячее цинкование, установлено, что, в зависимости от уровня технологии и организации производства, квалификации персонала, применяемого оборудования и интенсивности его эксплуатации, объем образующихся на каждом предприятии ЦСО составляет от десятков до сотен тонн в год, утилизация отходов, с целью возврата продуктов утилизации в основное производство, практически не осуществляется, существует значительная разница между стоимостью ЦСО и цинка

Все вышеизложенное предопределяет необходимость проведения соответствующей структуризации ЦПП, поскольку в настоящее время их организационно-технологические структуры не предусматривают утилизации образующихся ЦСО, а действующий в судостроительной отрасли руководящий документ РД5 95027 вообще не содержит упоминания о возможности и целесообразности проведения мероприятий по их переработке, за исключением требований по периодическому удалению гартцинка и изгари из ванн

Существующая значительная разница в стоимости отходов ванн горячего цинкования и марочного цинка, наряду с высоким содержанием цинка в отходах (до 95 %), дали основание предположить, что организация утилизации этих отходов может быть высокорентабельной

На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследования

Во второй главе «Исследование цинксодержагцих отходов Разработка технологий переработки отходов Исследование свойств и рафинирование вторичных продуктов» приведены результаты исследования условий образования, химического состава и свойств ЦСО, предложены эффективные технологии и способы переработки изгари цинка и вторичного шлака, ликвационно-химического рафинирования вторичного цинка и гартцинка, приведены результаты переработки ЦСО в условиях действующих ЦПП, выполнен анализ свойств продуктов утилизации и возможности их использования в основном производстве

В процессе горячего цинкования до 10% общего количества используемого цинка теряется, образуя на зеркале расплава поверхностные дроссы - изгарь цинка. Исследование физических свойств и химического состава изгари показало, что изгарь состоит из металлического цинка, оксида цинка, продуктов выгорания флюса (2пС12, КН4С1), железосодержащих интерметаллических соединений

(ИМС) типа Ре^Пп, Ре,„(А1, 2п)п [Проскуркин Е.В.], свинца (свинцовая подовая подушка или легирование) и других металлов в зависимости от применяемой технологии Основными компонентами являются- цинк + оксид цинка—75 90%, свинец - до 1,2% , алюминий - до 1,5%, железо - до 1,5%, хлор-до 20% , влага. Плотность 1,3-2,0 г/см3

Вторым основным видом отходов ванн горячего цинкования является гартцинк Его образуется около 5% от расхода цинка на покрытие Гартцинк, обладающий несколько более высокой плотностью (7,1-7,2 г/см ), чем расплавленный цинк (6,9 г/см3), осаждается в нижней части ванны, когда содержание железа, растворенного в расплавленном цинке, превышает предел растворимости Установлено, что скорость образования изгари и гартцинка зависит от периодичности и способа их удаления, площади зеркала, способа нагрева ванны, способа флюсования, температуры и химического состава расплава, интенсивности эксплуатации и конструкции ванны, химического состава металла оцинковываемых изделий и их конструкции Изгарь и гартцинк отрицательно влияют на качество покрытия и расход цинка Удалению гартцинка из ванны предшествует прекращение процесса цинкования, понижение температуры и отстаивание расплава Типичный состав гартцинка - соединения Реп^Пд (Ре 2лз, Ре57п21 и др) [О А Вальдман], 2-4 % железа и около 1 %

свинца. Содержание цинка достигает 95 % Таким образом, при чистке ванны цинкования от гартцинка с каждым килограммом железа из ванны безвозвратно извлекается 27 кг цинка

Рис.3 Зависимость количества и соотношение образующихся отходов от- содержания алюминия в ванне цинкования

1 — гарщинк; 2 - изгарь, Д - прирадание каличесгаа югари, К - количество отходов при

стандартной технологии.

В результате выполненных исследований и экспериментов установлено, что алюминий, присутствующий в расплаве в качестве легирующего элемента, оказывает большое влияние не только на качество поверхности и фазовую структуру покрытия, на скорость роста и порядок образования отдельных фаз,

толщину интерметаллических слоев и толщину самого покрытия, на его защитные свойства, но также на состав и соотношение образующихся отходов На рисЗ представлена зависимость количества и соотношение образующихся отходов от содержания алюминия в ванне цинкования Как следует из графика гарщинк образуется и остается сравнительно стабильным в ванне цинкования, если концентрация алюминия в расплаве составляет менее 0,1% При более высоких концентрациях избыточное железо комбинируется с алюминием По данным А В Тарасова при взаимодействии цинкосодержащих ИМС с металлическим алюминием происходит реакция

+ гА1 —*■ РехА12 + у2п

В результате высвобождается цинк, и образуются ИМС железа и алюминия всплывающие на поверхность, что в значительной степени облегчает чистку ванны, не требуя остановки процесса цинкования на охлаждение и отстаивание расплава При этом улучшается качество покрытия и его внешний вид, существенно снижаются потери цинка и количество ЦСО

Установлено, что изгарь цинка содержит большое количество мелкодисперсных составляющих, обладает высокой гигроскопичностью, склонностью к

самовозгоранию Все это требует максимального сокращения времени между образованием и переработкой изгари цинка или обеспечения специальных условий хранения и транспортировки, без соблюдения которых происходит быстрое окисление металлической фазы и снижение товарных качеств В силу этих причин, а также, принимая во внимание большую удаленность друг от друга судостроительных и других предприятий, вьшолняющих горячее цинкование, недостаточное для строительства и организации специализированных производств количество ЦСО подобного рода, автор делает вывод, что наиболее эффективной является организация утилизации ЦСО в местах их образования

Специально для переработки изгари в условиях действующего производства по нанесению покрытий методом горячего цинкования (ОАО «Балтийский завод»), была разработана и изготовлена универсальная автоматизированная плавильная печь УПА-02, на которой выполнены экспериментальные работы диссертационного исследования и отработаны технологические режимы переработки изгари цинка и других ЦСО

Плавление изгари осуществлялось в хлорсодержащей среде, внутри непрерывно вращающегося барабана, закрытого полугерметичной крышкой, при некотором избыточном давлении внутри барабана по отношению к атмосферному, достаточном для исключения чрезвычайно вредной для подобных процессов циркуляции воздуха внутри плавильного барабана, вызывающей быстрое окисление мелких капель освобождающегося металлического цинка.

Диаграммы режимов работы плавильной печи представлены на рис 4 Особое внимание в диссертационном исследовании уделено изучению свойств продуктов утилизации с целью определения их пригодности к возврату в технологию горячего цинкования

В результате переработки изгари в плавильной печи образуется цинк (далее вторичный цинк), выход которого составляет от 64 до 90% от массы перерабатываемой изгари и от 10 до 35% вторичного шлака.

Учитывая тот факт, что плавильная печь выпускается серийно, эксплуатируется в России и более чем в двадцати зарубежных странах,

Рис 4 Диаграммы режимов работы плавильной печи

—"""""" - тежерааураинухрикорпусапечи;

530°С - задшюезначжрютемш^шурыплавлввия, Т1 - тшпера1ураоткшсж5иягсрелки; Т2 - темпершуравключания горелки;

УчаяокОА накривой характеризует разогрев изгари до начала ее плавления, интервал АБ-плашкяие^ БВ -некоторый перегрев расплава, исключающий преждевременную ¡фисгаллизащию металла приегосливевтюжнину

Измерешютамжретурыврапщвдегося плавильного барабана вшсшняшсьсюмсщЕюбесющакшого гшрэмеграфирмы <<МПЖО№>

выполнены исследования химического состава вторичного цинка, полученного по одной технологии на различных предприятиях горячего цинкования, представленные втабл.1

Таблица 1

Химический состав вторичного цинка, %

РЬ са Ре Си вп Ъа

Разброс содержания элементов 0,23 - 2,0 0,001 -0,093 0,07 - 0,21 0,005 - 0,047 0,01-0,58 98,35 -99,34

Цинк ЦЗ ГОСТ 3640 <2,0 <0,2 <0,1 <0,05 <0,005 97,5

Анализ полученных результатов позволил установить зависимость между составом вторичного цинка и особенностями применяемых технологий горячего цинкования и сделать вывод, что количественное содержание примесей ю вторичном цинке и их номенклатура являются отражением химического состава расплава ванн цинкования и зависят от использования различных, легирующих элементов, а также, периодичности и способа удаления изгари и таргцинка, метода флюсования и др Выполненные исследования показали, что содержание разного рода вредных примесей в расплаве ванн цинкования не стабильно, и нарастает в период между чистками от гаршинка.

Рис.4 Изменение содержания железа в расплаве в период между чистками ванны от

гаршинка

АС - интервал времени между чистками,

А1 В! - изменение содержания железа до первой чистки (для цинка марки ЦО ГОСТ 3640), АВ - изменение содержания железа между очередными чистками; В1 С и В С - изменение содержания железа в процессе чистки

Так, содержание железа возрастает с 0,05 до 0,25% (рис 4) Содержание свинца при использовании в ваннах свинцовой подовой подушки постоянно находится в интервале 0,7 - 2% Олово до 03 - 0,5% вводят в расплав с целью снижения вязкости цинка, улучшения товарного вида покрытая, образования «узоров» кристаллизации

Для сравнения свойств покрытий, выполненных методом горячего цинкования с использованием и без использования вторичного цинка, были выполнены ускоренные климатические испытания.

Ускоренные испытания покрытий в составе трубопроводов, транспортирующих морскую воду, весьма затруднительны, тк. специальных стендов для этих целей в настоящее время не существует В то же время проведение таких испытаний возможно в специальных климатических камерах, имитирующих природные и антропогенные факторы воздействия на покрыли при их натурной эксплуатации

Поставленная задача решалась следующим образом.

Испытаниям подвергались образцы стальных пластин из стали Зсп с цинковым покрытием, нанесенным горячим методом в соответствии с требованиями ГОСТ 930789 «Покрытия цинковые горячие. Общие требования и метода конгроля» и РД5 95027-88 В качестве исходного материала для получения покрытий использовался цинк марки ЦО (ГОСТ 3640 «Цинк. Марки») и вторичный цинк, полученный в результате утилизации цинковой изгари. Покрытие на пластинах имело толшину в диапазонах 25-ЗОмкм; 40-50мкм; 90-100мкм.

Определение коррозионной стойкости цинковых покрытий в процессе ускоренных коррозионных испытаний соответствовало условиям воздействия промышленной атмосферы приморских районов России.

Испытания проводились на участке коррозионных испытаний лаборатории 133 ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», в соответствии с отраслевым руководящим документом РД5.9255, три периодическом воздействии на покрытие теши, холода и атмосферы, содержащей влагу, хлорида и сернистый таз, путем перемещения образцов из одной климатической камеры в другую Режим обеспечивал ускорение коррозионного воздействия в 17 раз (рис 5)

В результате испытаний установлено, что скорости износа покрытий, полученных из расплава первичного и вторичного цинка идентичны (в пределах точности проведения экспериментов, связанных с коррозионными испытаниями)

Дополнительно автором поставлен ряд экспериментов и разработана методика по ликвационному и химическому рафинированию вторичного цинка до марки Ц2

Выплавленный в результате переработки изгари металл сливали в специальную изложницу, на дно которой предварительно насыпали алюминиевый порошок Полученный расплав перемешивали в течение 3-5 минут Изложницу с металлом помещали в плавильную печь, где выдерживали в течение 2 часов при температуре около 460°С После чего металл охлаждали до температуры 440 °С, и с поверхности расплава удаляли интерметаллидную корку Температуру понижали до 390°С и сливали свинец В результате ликвационно-химического рафинирования содержание железа в цинке

Рис 5 Зависимость сохранности покрытий от продолжительности климатических

испытаний

1 -покрыше25-30мкм, 2-покрыше40-50мкм, 3-покрыше90-100мкм, х - покрыше из марочного цинка, • - покрыше из вторичного цинка, в - остаточная площадь покрытая

понижалось с 0,28 до 0,03%, свинца с 2,0 до 0,6%, что соответствует марке Ц2

Аналогичным образом осуществляется переработка гартцинка В работе исследован химический состав вторичного шлака с целью определения возможности его утилизации, в первую очередь, в интересах технологии горячего цинкования Результаты анализа представлены в табл 2

Таблица 2

Химический состав вторичного шлака, %

гп Ре Мп Са РЬ С1 N114 в N2 К

59- 0,22- 0,02- 0,02- 0,1 - 2,1- 0,1- 0,01 - 0,01 - 0,01-

86 1,44 0,23 0,34 1,9 16,8 1,1 0,09 0,67 0,16

Высокое содержание цинка и хлора позволило сделать предположение о возможности переработки вторичного шлака в хлорид цинка, используемый в качестве основного компонента флюса, применяемого в технологии горячего цинкования

Поскольку шлак содержит цинк как в металлической, так и в окисленной формах, его растворение в соляной кислоте будет происходить по двум схемам

1 Ъъ + 2НС1 = гпС12 + н21,

2 гпо + 2НС1=гпсь + н2о

В целях пожаробезопасности целесообразно предварительно выполнять окисление металлического цинка по схеме

2 Ъа. + 02 (воздух, 500-550°С) = 2 гпО

Оксид пинка растворялся в разбавленной 11 и в кощешрированной соляной кистою. Зависимость концентрации растров от времени растворения представлена на рис. 6 В первом случае была достигнута концентрация 196 г/л, во втором 4261/л йОг По данным ограслеюш РД5 95027-88 концентрация 2лС1г в ванне флюсования должна бьпь в пределах от200до 350 г/л.

Рис 6 Зависимость концентрации хлорида цинка от времени растворения

1 - прираявсрешиш&пгапрокапйшшэхш!^ Ю (11);

2-при растворении избытка прокаленного шлака в фиксированном объеме НС1 (концентрированный <1=1,19г/аг)

Таким образом, схема утилизации вторичного шпака будет следующей

1) окисление в атмосфере воздуха при температуре 500-55СРС;

2) растворение в соляной кислоте (до рН 4-5),

3) цементация;

4) дополнишпшая обработка окисью цинка (при необходимости) и барботирование воздухом,

5) фильтрование,

6) доведшие раствора до необходимой концентрации.

Конечным продуктом является водный раствор хлорида цинка.

Автором совместно со специалистами фирмы «Текг^о-Кштаэткйш ОУ», Финляндия, выполнены эксперименты по горячему цинкованию стальных образцов по штатной технологии и с использованием флюса, приготовленного на основе вторичного шлака, образующегося на данном предприятии В процессе контроля качества покрытая методами и средствами традиционно используемыми цинковалыпиками, различия между двумя группами образцов выявлены не были. Толщина покрытия составила от 95 до 112 мкм для обеих трупп образцов

На судостроительных и других предприятиях выполняющих литье цинковых сплавов образуется большое количество изгари, мелкого облоя и стружки этих сплавов. Облой и стружка загрязнены маслами и охлаждающими жидкостями. Предпринимаемые попытки их переплавки на зеркале расплава и в тигельных печах показали, что угар металла составляет 50% и более Изгарь не перерабатывается вовсе Вследствие описанных выше причин, стружка и мелкий облой в условиях литейных производств практически не утилизируется и реализуется, как и изгарь, на рынке, как правило, производителям оксида цинка.

Автором выполнены эксперименты и отработаны технологические режимы переработай изгари и стружки сплава ЦА4М1 с использованием печи, разработанной для переработки изгари цинка, результат которых представлены в табл 3

Таблица3

Технологические режимы и результаты плавок стружки и изгари сплаваЦА4М1

№ Наименование сырья Температура плавки, °С Время плавки, мин Средний выход металла, % Химический состав, % (цинк остальное)

А1 Си щ Ре &1 СИ РЬ &

1 Стружка ЦАМ 480490 120 89,5 3,75 -43 0,8- <0у01 0,0170,038 0,0010,002 0,0015 -0,003 0,0040,01 0.0080015

2 Изгарь ЦАМ 480490 150 75 252* 0,813 <ода 0,010,03 0,0010,002 0,0010,003 0,0080,01 0.0080.015

3 Химический состав сплава ЦА4М1 поГОСТ 19424 3,943 0,713 0,030,06 не более

0,05 | 0,002 ( 0,005 | 0,01 | 0015

Учитывая тот факт, что в подавляющем большинстве случаев сплавы приготавливаются непосредственно на литейных предприятиях на основе цинка с введением требуемого количества алюминия, меди и магния, корректировка химического состава расплава, с учетом добавления вторичного сплава, не представляет сложности.

В третьей главе «Разработка конструкции плавильной печи для переработки цинкосодержащих отходов предприятий, выполняющих горячее цинкование» представлены результаты выполненного анализа существующих технологий и

оборудованы для переработки ЦСО, сформулированы критерии выбора печи и требования к конструкции печи для переработки отходов ванн горячего цинкования, выполнено описание конструкции и преимуществ специально разработанной плавильной печи для переработки ЦСО в условиях действующего производства горячего цинкования.

Выполненный об:юр специальной и патентной литературы позволил установить, что существующие технологии и оборудование не учитывают всей специфики отходов ваш горячего цинкования, малоэффективны и не соответствуют требованиям организации их эффективной переработки в условиях производства горячего цинкования на суцрстрошельных и других ЦШI

Основными недостштами являются:

- низкий тепловой КЙД

- слабое сродство с основной технологией по энергоносителям, вспомогательному оборудованию и оснастке;

- необходимость предварительного измельчения или брикетирования ЦСО;

- интенсивное окисление цинка, необходимость использования защитных газов;

- сложность обслуживания;

- большие габариты и масса;

- длительнее время разогрева;

- малый выход металлического цинка, вырабатываемый цинк низкого качества.

Одновременно были исследованы характеристики используемого оборудования и

оснастки, организация труда, организация сбора и перемещения отходов, и т. п. на предприятиях России и ряде предприятий за рубежом.

Рис. 7. Участок и плавильная печь УПА-02 Д, 1Я переработки изгари цинка

На основе результатов выполненного анализа были сформулированы критерии выбора и требования к конструкции печи для переработки отходов ванн горячего

цинкования в условиях действующего производства по нанесению покрытий методом горячего цинкования, была разработана конструкция и организовано производство плавильной печи УПА-02 (рис 7) отвечающей этим требованиям

- высокий коэффициент использования сырья,

- высокий термический коэффициент полезного действия,

- малые габариты и вес,

- быстрый разогрев,

- хорошая встраиваемость в существующую планировку предприятий горячего цинкования;

- использование традиционных дня предприятий горячего цинкования или легкодоступных и высокотехнологичных видов энергии и топлива,

- простота конструкции и управления, не требующие высокой квалификации обслуживающего персонала,

- высокая точность поддержания заданных технологических режимов и температуры расплава,

- отсутствие промежуточной тары;

- удобная загрузка сырья и выгрузка вторичного шлака;

- возможность установки барабана в печь и его замены, с помощью любого из традиционно применяемых на предприятиях горячего цинкования, грузоподъемных устройств (тельферы, автопогрузчики идр-до 1тонны),

- хороший обзор рабочего объема печи в период установки и снятия барабана, а также в процессе ее работы;

- эффективная передача тепла ко всему объему сырья;

- минимальная передача теша от плавильного барабана к силовым агрегатам и элементам трансмиссии;

- возможность оперативной замены барабана по окончании плавки и слива металла следующим без выхолаживания печи.

- минимальный воздухообмен между окружающей средой и внутренним объемом барабана,

- хорошо организованный слив металла и его отделение от шлака и инородных включений

В четвертой главе «Пути совершенствования технологических структур цинкопотребляющих производств судостроительных и других предприятий. Расчет экономической эффективности» выполнены расчеты и построены блок-схемы качественно-количественных изменений сырья и материалов, материальных, энергетических и финансовых затрат при утилизации ЦСО, выполнено экономическое обоснование повышения эффективности работы ЦПП путем организации утилизации отходов от собственного производства на судостроительных и других предприятиях, предложены новые организационно-технологические структуры, обобщены результаты исследований.

На основании результатов исследований, выполненных конструкторских и технологических разработок, расчетов и экспериментов была построена организационно-технологическая структура предприятия, выполняющего горячее цинкование с

Н,0 Н2804 КИ-1 ОП-7 ЫН,С1 2пС1;

Изделия на

»■■■••■■■■■■■■•■■а

покрытие

эл энергия

в атмосферу 1

А1 РЬ Ъа.

эл энергия

и £

р §

я 5С

к гЗ

ее 0 1

готовое изделие

сжатый дробь пар воздух

НС1

Н20

Вторичный шлак

Реализация

Рис 8 Организационно-технологическая структура предприятия, выполняющего горячее цинкование с комплексной утилизацией цинкосодержащих отходов

комплексной утилизацией цинкосодержаших отходов от собственного производства (рис 8).

Жирными линиями выделены новые технологии и взаимосвязи Образующиеся в процессе ц инкования изгарь и гарщинк перерабатывают в ц инк, возвращаемый в ванну цинкования. Вторичный шпак, образующийся в результате переработки изгари, а также оксид цинка, улавливаемый фильтром вентиляции, перерабатывают в хлорид цинка и используют для приготовления флюса. Горячий воздух, после очистки, используется для сушки изделий после операции флюсования

В результате существенно повышается эффективность использования цинка, других расходных материалов и энергоносителей

Рис 9 Организациошскгешолотческая структура предприятия по изготовлению изделий литьем из сплаватипа ЦАМ с организацией утилизации ЦСО

Положительные результаты исследований и экспериментов по внедрению разработанных малоотходных технологий на предприятиях выполняющих литье цинковых сплавов, позволили построить организационно-технологическую структуру, представленную на рис.9

Изгарь, образующуюся в штатной тигельной печи при приготовлении сплава, литейный облой и изгарь от литейного производства, а также стружку, направляют для переработки в металл, возвращаемый непосредственно в литейное производство или в платную плавильную печь, для корректировки химического состава

Внедрение такой структуры позволило существенно повысить эффективность использования цинка и сплавов в литейном производстве.

Организационно-технологическая структура, представленная на рис 10, построена для предприятий то производству цинковых белил (оксида цинка) с предварительной, на основе разработанных технологий и оборудования, переработкой сырья Цинкосодержащее сырье (включая не перерабатываемые в муфельных печах сыпучие виды, сырье содержащее лом других металлов, а также загрязненное углеводородами) направляют в печь для плавления и рафинирования. Полеченный металл в слитках перерабатывают затем

Цинк ЦЗ (покупка)

Изгарь цинка

Изгарь ЦАМ

Стружка ЦАМ Гартцинк^

Промышленный и бытовой нинкосодержаший лом .

Изгарь от барабанных печей и печей переплавки гартцинка

Топливо

др затраты

Г

Плавильная печь

1 I I I

Муфельная печь

Газ

т

Фильтр

Белила ВЦОМ марка А

(электроэнергия)

Цинковые слитки

Реализация

Вторичный шлак

Цинк Ш

Кокс, электроэнергия

Барабан- Фильтр Белила

ная печь марка А

Изгарь

В витерильные печи (на марку Б) или реализация

Алюминиевый, медный и стальной лом

Реализация

Рис. 10 Организационно-технологическая структура предприятия по производству цинковых белил с использованием технологии предварительной переработай сырья

в белила в муфельных или барабанных печах. Отделенный в процессе предварительной переработки алюминиевый, медный и стальной лом, реализуется на рынке.

Внедрение разработанной структуры позволило без остановки производства, модернизации или замены действующего оборудования, организовать изготовление белил высших марок (БЦОМ ГОСТ 202-84 «Белила цинковые Технические условия») из низкосортных и дешевых видов сырья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достигнута цель работы - повышение эффективности использования цинка в судостроении 1501®! разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий и оборудования

1. Выявлены и систематизированы производственные факторы, влияющие на качество покрытия и эффективность деятельности предприятия, выполняющего горячее цинкование, оценка влияния которых показала, что наиболее действенным способом повышения эффективности их деятельности является организация утилизации ЦСО в местах их образования с возвратом в производство продуктов утилизации

2 Исследованы номенклатура, свойства, скорость и условия образования ЦСО Установлено, что содержание цинка в таких слходах достигает 95%, объем образующихся ЦСО составляет от десятков до сотен тонн в год на каждом предприятии, цинк находится в доступных для переработан формах.

3. Разработаны ресурсосберегающие технологии и организационно-технологические структуры, обеспечивающие решение проблемы повышения эффективности использования цинка и сплавов на его основе на судостроительных и других Ц ПП.

4 Сформулированы контфешые требования к печи для переработки ЦСО в условиях действующего производства по нанесению готфьпий методом горячего цинкования. Разработана конструкция плавильной печи, организовано ее серийное производство.

5 Впервые, в условиях предприятий, выполняющих горячее цинкование, в результате переработки образующихся ЦСО произведен цинк высокого качества, юр! высокой эффективности и рентабельности переработки; выполненными испытаниями подтверждено, что защитные свойства сформированного на его основе покрыли соответствуют требованиям нормативных документов,

6 Исследованы свойства вторичного шлака, образующегося в процессе переработки изгари, разработан способ и экспериментально подтверждена возможность переработки вторичного шлака в хлорвд цинка - основной компонент флюса при горячем цинковании

7 Осуществлено внедрение разработанных технологий и оборудования на судостроительных и других предприятиях в процессах.

- утилизации ЦСО ванн горячего цинкования и образующихся при литье цинковых сплавов, с целью возврата вторичных цинка и сплавов в основное производство,

- предварительной переработки ЦСО и ломов на предприятиях по производству оксида цинка, с целыо повышения его качества

8 Внедрение результатов диссертационного исследования на ЦПП позволяет снизить расход цинка на 12,4 процента, обеспечить экономическую эффективность утилизации ЦСО в интервале от 0,32 для переработки гартцинка до 4,33 для переработки стружки ЦАМ, повысить культуру производства, сократить количество опасных промышленных отходов, снизить нагрузку на окружающую среду

Новизна, приоритет и достоверность результатов исследований подтверждены российскими и зарубежными патентами на изобретения и актами внедрения

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1 Алексеев АА Металлургическая переработка щ-шкосодержахцих отходов производства//ВесшикИнжэкона. Серия. Технические науки -2005 -№3(8) -С 125-128

2 Алексеев АА, Алексеев ДА, Дурнев В.Д Повышение эффективности технологического процесса горячего цинкования // Управление качеством проблемы, исследования,опыт Сб науч трудов/СПбГИЭА-СЩ2001 С 141-146

3 Повышение безспходности горячего цинкования за счет использования продуктов утилизации в основном производстве /АА Алексеев, ЕР Винотрадова-Волжанская, НА Греков, ВД Дурнев // Технологические проблемы экономики производственных процессов.Сб науч трудов/СПбГИЭА.-СПб, 1999 С.61-68

4 Линнаинмаа ЯЕ, Власов ВА, Мамедов КН., Алексеев АА Устройство для перерабсга® мегашюсодержащих отходов. Свидетельство РФ № 2586, Б И. №8,1996г

5 Линнаинмаа ЯЕ., Алексеев АА, Власов В А, Мамедов КН. Плавильная печь. Пакет РФ№2102668,Б.И№2,1998г

6. Linnainmaa Jaikko, Alexeev Alexander, Vlasov Vladimir, Mamedov Koshkar «Metal waste processing facility» US patent No- 5928602,1999

7 Lmnainmaa Jarkko, Alexeev Alexander, Vlasov Vladimir, Mamedov Koshkar «Metal waste processing facility» European patent No0828858,1999.

8 Lmnainmaa Jaikko, Alexeev Alexander, Vlasov Vladimir, Mamedov Koshkar «Metal waste processing facility» AUpatentNo693758,1999.

9. Linnainmaa Jaikko, Alexeev Alexander, Vlasov Vladimir, Mamedov Koshkar «Metal waste processingfeality» FLpatentNoP-328721,1999

10 Lmnainmaa Jaikko, Alexeev Alexander, Vlasov Vladimir, Mamedov Koshkar «Metal waste processing facility» CA patent No2218594,1999

11 Linnammaa Jaikko, Alexeev Alexander, Vlasov Vladimir, Mamedov Koshkar «Metal waste processing facility» NO patentNo974931,1999

12 Linnainmaa Jaikko, Alexeev Alexander, Vlasov Vladimir, Mamedov Koshkar «Metal waste processing feolity» JP patent No HI 1-103840,1999

Подписано в печать Off PJ/ Формат 60x84 '/1С Печ. л Тираж #£> экз Заказ 39fr

ИзПК СПбГИЭУ 191002, Санкт-Петербург, ул Марата, 31

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ организации и эффективности технологического процесса горячего цинкования.

1.1. Цинковые покрытия.

1.2. Анализ современного состояния технологического процесса горячего цинкования.

1.3. Анализ влияния различных факторов на структуру, качество цинкового покрытия и образование цинкосодержащих отходов.

1.4. Экономические аспекты горячего цинкования.

1.5. Анализ технологических, экономических и экологических аспектов утилизации металлосодержащих отходов.

1.6. Анализ организации технологических структур судостроительных и других предприятий, выполняющих горячее цинкование.

1.7. Анализ материальных, сырьевых и энергетических потоков в технологии горячего цинкования.

1.8.Анализ материальных, сырьевых и энергетических потоков в технологии изготовления изделий методом литья из цинковых сплавов.

1.9. Анализ материальных, сырьевых и энергетических потоков в технологии производства оксида цинка.

Выводы и постановка задач исследования.

ГЛАВД 2. Исследование цинкосодержащих отходов. Разработка технологий переработки отходов. Исследование свойств и рафинирование вторичных продуктов.

2.1. Анализ свойств и условий образования цинкосодержащих отходов.

2.2. Технологический процесс переработки изгари цинка в плавильной печи.

2.3. Исследование свойств вторичного цинка.

2.4. Исследование коррозионной стойкости покрытий на основе вторичного цинка.

2.5. Исследование свойств вторичного шлака цинка.

2.6. Способ переработки вторичного шлака цинка в хлорид цинка.

2.7. Исследование продуктов утилизации отходов при изготовлении изделий из цинковых сплавов и производстве оксида цинка.

Выводы.

ГЛАВА 3. Разработка конструкции плавильной печи для переработки цинкосодержащих отходов предприятий, выполняющих горячее цинкование.

3.1. Анализ существующих технологий и оборудования для переработки цинкосодержащих отходов.

3.2. Разработка конструкции плавильной печи и ее достоинства.

Выводы.

ГЛАВА 4. Пути совершенствования технологических структур цинкопотребляющих производств судостроительных и других предприятий. Расчет экономической эффективности.

4.1. Горячее цинкование.

4.2. Производство оксида цинка.

4.3. Производство изделий из цинковых сплавов.

Выводы.

Эффективное использование материальных ресурсов является объективной необходимостью, обусловленной требованиями, предъявляемыми к их расходованию в рыночных условиях хозяйствования. В настоящее время сложилось острое противоречие между ростом потребностей промышленности в сырье и относительной ограниченностью многих ресурсов в виде как руд, так и энергоносителей.

На современном этапе развития экономики добыча полезных ископаемых удваивается каждые 10-15 лет и проблема эффективного, комплексного, безотходного использования природных ресурсов с получением в виде товарных продуктов всех ценных составляющих сырья и осуществления при этом целесообразного и согласованного взаимодействия производств различных отраслей промышленности приобретает исключительно важное значение.

По данным компетентных источников о состоянии недр Земли при современной производительности добычи полезных ископаемых запасы некоторых из них могут быть исчерпаны уже в ближайшие годы и десятилетия.

В то же время необходимо отметить, что процесс перехода на рыночную экономику сопровождался обособлением отраслей и предприятий, что противоречило интересам регионов и страны, а также существенно замедлило темпы потребления материалов промышленными производствами. Рынок ставит перед каждым производителем жесткие требования к снижению издержек производства, рациональному использованию материальных ресурсов на всех уровнях: региональном, отраслевом, внутрипромышленном. Необходимо признать, что по уровню материало- и металлоемкости многие виды машиностроительной промышленности России превышают зарубежные аналоги.

Снижение потерь и повышение комплексности использования сырья должны идти как по пути разработки новых технологических схем его переработки, так и по пути совершенствования организации извлечения полезных продуктов из промежуточных шлаков, промышленных отходов и вторичного сырья (так называемых вторичных ресурсов).

Ежегодно возрастает накопление ценных компонентов в машинах и оборудовании, бытовых приборах, предметах длительного пользования. Одновременно возрастает потенциальное количество амортизационного лома. Вторичные ресурсы - это сырье, которое не требует затрат на добычу. Для вовлечения их в переработку с помощью специальных установок, обычно, необходимо лишь осуществить незначительные погрузочно-разгрузочные работы. Это - главный экономический фактор, так как при получении ценных компонентов из рудного сырья около 70% всех затрат приходится на добычу и обогащение [38].

Ограниченность минеральных сырьевых ресурсов некоторых цветных металлов в Японии и странах Европы, а также стремление ряда стран (в первую очередь, США) к консервации собственных источников сырья, определяют устойчивую тенденцию повышения использования лома и отходов в общем объеме производства цветных металлов. Повышение спроса на лом и отходы зачастую увеличивает его экспорт заготовительными компаниями, что ставит потребительные компании этих стран в затруднительное положение. Сокращение экспорта в большинстве случаев явилось причиной снижения цен на лом и отходы [54]. В значительной степени повышение использования лома и отходов в общем объеме производства цветных металлов связано еще и с предупреждением разрушительного воздействия человека на окружающую среду.

Биосфера не приспособлена к столь большому объему загрязнений порой химически не свойственных ей, что приводит к накоплению этих загрязнений в природе и нарушению гармонии между основными экологическими системами и к дисбалансу внутри этих систем на самых различных уровнях и звеньях.

В то же время имеет место встречный процесс - коррозия. Потеря металлов от коррозии элементами оборудования, строительных конструкций, транспорта и т.д. колоссальна и сегодня сопоставима с объемами производства металлов металлургическими предприятиями из руд. В первую очередь речь идет о стальных конструкциях как наиболее распространенных. Это огромные материальные потери и дополнительная тяжелая нагрузка на окружающую среду.

Известно большое количество способов защиты стальных конструкций от коррозии. Из них наиболее долговечный, технологичный и достаточно дешевый - горячее цинкование. Цинковое покрытие имеет хороший внешний вид и позволяет увеличить срок службы стальных судовых трубопроводов и «дельных вещей» в 2-3 раза, надежно защищая их от атмосферной, морской и других видов коррозии.

Однако, по мнению автора, на процесс горячего цинкования со стороны исследователей обращается недостаточное внимание, хотя здесь имеются большие резервы, носящие проблемный характер. Среди назревших проблем следует отметить: необходимость стабилизации качества покрытия и повышение эффективности производства как за счет совершенствования самого технологического процесса горячего цинкования, так и за счет утилизации образующихся в процессе цинкования в больших количествах ценных промышленных отходов (дроссов), которые после переработки следует возвращать в основное производство.

Постоянное развитие цинковального производства во всех странах, а также возможность положительного решения поставленных научных проблем подтверждает актуальность и приоритетность выбранных автором научных направлений настоящей диссертационной работы. Поэтому исследования в данной области судостроительного производства весьма важны и целесообразны. Решение указанных проблем позволит качественно повысить уровень организации, эффективность и культуру производства, снизить нагрузку на окружающую среду.

Целью представляемой к защите работы является повышение эффективности использования цинка в судостроении путем разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий и оборудования.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

- выполнить анализ материальных, сырьевых, энергетических потоков на судостроительных предприятиях выполняющих горячее цинкование и других ЦПП;

- исследовать номенклатуру, свойства, условия и скорость образования ЦСО;

- рассмотреть технологии переработки ЦСО и проанализировать возможность их использования на предприятиях судостроительной промышленности и других ЦПП;

- разработать технологии и оборудование для организации утилизации ЦСО в местах их образования, провести исследование свойств и пригодности продуктов утилизации к возврату в основное производство;

- выполнить оценку экономической эффективности организации утилизации ЦСО в местах их образования.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются исследования отечественных и зарубежных авторов в области горячего цинкования. В качестве инструментов исследования использовались системный, статистический, логистический, спектральный и химический анализы, металлографический метод и метод ускоренных коррозионных испытаний, моделирование организационно-технологических структур.

Научные результаты и их новизна:

- выявлены и систематизированы факторы, влияющие на качество покрытия, расход цинка и эффективность работы предприятия, доказана целесообразность организации утилизации ЦСО в местах их образования с целью использования продуктов утилизации в основном производстве;

- впервые выполнены системные комплексные исследования и описание условий, скорости образования, структуры, состава, свойств ЦСО, экспериментально подтверждена их пригодность к переработке в материалы применяемые в технологии горячего цинкования и литье цинковых сплавов;

- установлена зависимость между содержанием алюминия в расплаве ванны цинкования и соотношением образующихся ЦСО (изгари и гартцинка), что позволило обеспечить управление процессами их образования;

- доказана необходимость разработки специальной технологии, оборудования для переработки ЦСО в условиях предприятий, выполняющих горячее цинкование, с целью получения цинка, пригодного для возврата в основное производство;

- разработан технологический процесс получения цинка из изгари; впервые, в условиях предприятий, выполняющих горячее цинкование, в результате переработки образующихся ЦСО, произведен цинк высокого качества, коррозионными испытаниями подтверждено, что защитные свойства сформированного на его основе покрытия соответствуют требованиям нормативных документов;

- разработаны технологии рафинирования вторичного цинка и гартцинка;

- разработаны технологические режимы переработки ЦСО предприятий, выполняющих литьё цинковых сплавов;

- впервые исследованы свойства вторичного шлака, образующегося в процессе переработки ЦСО, разработан способ и экспериментально подтверждена возможность переработки шлака в хлорид цинка, используемый в технологии горячего цинкования;

- выполнен логистический анализ организационно-технологических структур ЦПП, предложены пути их совершенствования;

- сформулированы критерии выбора конструкции плавильной печи для переработки отходов ванн горячего цинкования.

Практическая ценность работы заключается в разработке ресурсосберегающих технологий, оборудования и организационно-технологических структур, внедрение которых обеспечило решение проблемы повышения эффективности использования цинка и сплавов на его основе на судостроительных и других ЦПП, культуры производства, сокращения количества опасных промышленных отходов, снижения нагрузки на окружающую среду.

Научные исследования и практические работы по отработке и внедрению разработанных технологий выполнялись в период с 1994 по 2006 годы в лабораториях ЦНИИ КМ «Прометей» и ООО «НПО «Феникс», на предприятиях Санкт-Петербурга, Белгорода, Новгородской и Московской областей, Карелии, Финляндии.

Основные результаты исследований диссертационной работы использованы в текущей деятельности предприятий, при их реструктуризации и техническом перевооружении на:

- ОАО «Балтийский завод», ОАО «Северная верфь», ОАО «БСК-335 завод» (Санкт-Петербург), ОАО «Вяртсильский металлургический завод» (Карелия), «КБ^пШ» Оу и «Teknotyo-Kuumasinkitys» Оу (Финляндия) - горячее цинкование;

- ООО «НПО «Феникс» (Санкт-Петербург) - производство цинка и сплавов на его основе, литьё цинковых сплавов;

- ООО «Топливные системы» (Санкт-Петербург) - литье цинковых сплавов;

- ОАО «Любытинский завод минеральных красою) (Новгородская область), ЗАО «Акора» (Московская область), ЗАО «Цибел» (Белгород) - производство оксида цинка и лакокрасочных материалов;

Экспериментально-опытный завод» ФГОУВПО С-Пб ГУ (Санкт-Петербург), «21пкОШ> Оу (Финляндия) - производство плавильных печей.

Разработанное для реализации технологии утилизации цинкосодержащих отходов оборудование запатентовано в двадцати и эксплуатируется в двадцати восьми странах мира: России, Украине, Финляндии, Швеции, США, Канаде, Норвегии, Дании, Исландии, Бельгии, Австрии, Великобритании, Ирландии, Голландии, Франции, Германии, Японии, Польше, Испании, Португалии, Италии, Эстонии, Израиле, Саудовской Аравии, Таиланде, Мексике, Чили, Новой Зеландии.

ВЫВОДЫ

1. Организация утилизации цинкосодержащих отходов на предприятиях, выполняющих горячее цинкование, позволяет существенно повысить эффективность их деятельности путем сокращения объемов закупок цинка, за счет возврата в ванну цинкования вторичного цинка:

- при утилизации изгари - 75 % от массы удаляемой изгари;

- при утилизации гартцинка - 90 % от массы удаляемого гартцинка.

2. Разработанные для целей утилизации отходов ванн горячего цинкования технология и оборудование не только полностью соответствуют основному своему назначению, но и позволяют решить проблему утилизации отходов предприятий, осуществляющих литье сплавов типа ЦАМ, с целью возврата продуктов утилизации в литейное производство.

3. Внедрение разработанных технологий и оборудования на предприятиях, производящих цинковые белила, обеспечивает без замены или модернизации действующего оборудования выпуск белил высших марок из низкосортных и дешевых видов сырья, ранее используемых лишь при производстве низкосортных белил.

4. Организация цинкопотребляющих производств в соответствии с разработанными в данном исследовании структурами позволяет значительно снизить потребление цинка и его сплавов, повысить эффективность деятельности судостроительных и других Ц1111, сократить количество опасных промышленных отходов, снизить нагрузку на окружающую среду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достигнута цель работы - повышение эффективности использования цинка в судостроении путем разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий и оборудования.

1. Выявлены и систематизированы производственные факторы, влияющие на качество покрытия и эффективность деятельности предприятия, выполняющего горячее цинкование, оценка влияния которых показала, что наиболее действенным способом повышения эффективности их деятельности является организация утилизации ЦСО в местах их образования с возвратом в производство продуктов утилизации.

2. Исследованы номенклатура, свойства, скорость и условия образования ЦСО. Установлено, что содержание цинка в таких отходах достигает 95%, объем образующихся ЦСО составляет от десятков до сотен тонн в год на каждом предприятии, цинк находится в доступных для переработки формах.

3. Разработаны ресурсосберегающие технологии и организационно-технологические структуры, обеспечивающие решение проблемы повышения эффективности использования цинка и сплавов на его основе на судостроительных и других Ц1111.

4. Сформулированы конкретные требования к печи для переработки ЦСО в условиях действующего производства по нанесению покрытий методом горячего цинкования. Разработана конструкция плавильной печи, организовано её серийное производство.

5. Впервые, в условиях предприятий, выполняющих горячее цинкование, в результате переработки образующихся ЦСО произведен цинк высокого качества, при высокой эффективности и рентабельности переработки; выполненными испытаниями подтверждено, что защитные свойства сформированного на его основе покрытия соответствуют требованиям нормативных документов;

6. Исследованы свойства вторичного шлака, образующегося в процессе переработки изгари, разработан способ и экспериментально подтверждена возможность переработки вторичного шлака в хлорид цинка - основной компонент флюса при горячем цинковании.

7. Осуществлено внедрение разработанных технологий и оборудования на судостроительных и других предприятиях в процессах:

- утилизации ЦСО ванн горячего цинкования и образующихся при литье цинковых сплавов, с целью возврата вторичных цинка и сплавов в основное производство;

- предварительной переработки ЦСО и ломов на предприятиях по производству оксида цинка, с целью повышения его качества.

8. Внедрение результатов диссертационного исследования на ЦПП позволяет снизить расход цинка на 12,4 процента, обеспечить экономическую эффективность утилизации ЦСО в интервале от 0,32 для переработки гартцинка до 4,33 для переработки стружки НАМ, повысить культуру производства, сократить количество опасных промышленных отходов, снизить нагрузку на окружающую среду.

Новизна, приоритет и достоверность результатов исследований подтверждены российскими и зарубежными патентами на изобретения и актами внедрения.

Результаты диссертационной работы внедрены на:

ОАО «Балтийский завод», ОАО «Северная верфь», ОАО «БСК-335 завод» (Санкт-Петербург), ОАО «Вяртсильский металлургический завод» (Карелия), «КБ-БтккЬ) Оу и «Текпо1уо-Киитаз1пкку8» Оу (Финляндия) -горячее цинкование;

ООО «Топливные системы» (Санкт-Петербург) - литье цинковых сплавов;

ОАО «Любытинский завод минеральных красок» (Новгородская область), ЗАО «Акора» (Московская область), ЗАО «Цибел» (Белгород) -производство лакокрасочных материалов и оксида цинка;

- ООО «НПО «Феникс» (Санкт-Петербург) - производство цинка и сплавов на его основе, литьё сплавов под давлением;

- «Экспериментально-опытный завод» ФГОУВПО С-Пб ГУ (Санкт-Петербург), «2тк^6> Оу (Финляндия) - производство плавильных печей.

Разработанное для реализации технологии переработки цинкосодержащих отходов оборудование запатентовано в двадцати и эксплуатируется в двадцати восьми странах мира.

1. Алексеев A.A. Металлургическая переработка цинкосодержащих отходов производства // Вестник Инжэкона. Серия: Технические науки. -2005. -№3(8).-С. 125-128.

2. Алексеев A.A., Алексеев Д.А., Дурнев В.Д. Повышение эффективности технологического процесса горячего цинкования // Управление качеством: проблемы, исследования, опыт: Сб. науч. трудов / СПбГИЭА. -СПб, 2001. -С. 141-146.

3. Басина И.П., Тонконогий A.B. К вопросу о горении и сепарации частиц топлива в циклонной топке // Теплоэнергетика. -1958. №5. -С. 34-36.

4. Беняковский М.А., Гринберг Д.Л. Производство оцинкованного листа. -М.: Металлургия, 1973. -256 с.

5. Булыгина Т.Г. Экономические аспекты использования вторичных ресурсов. -Минск.: БелНИИНТИ, 1990. -45 с.

6. Виткин А.И., Тейндл И. Металлические покрытия листовой и полосовой стали. -М.: Металлургия, 1971. -319с.

7. ГОСТ 3640-79. Цинк. Марки. -М.: Изд-во стандартов, 1979. -11 с.

8. ГОСТ 25140-93. Сплавы цинковые литейные. Марки. -М.: Изд-во стандартов, 1980. -6 с.

9. ГОСТ 1639-93. Лом и отходы цветных металлов. Общие технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 1993. -56 с.

10. ГОСТ 202-84. Белила цинковые. Технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 1984. -6 с.

11. ГОСТ 9.307-89. Покрытия цинковые горячие. Общие требования и методы контроля. -М.: Изд-во стандартов, 1989. -7 с.

12. Гринберг Д.Л., Кузькина Т.А., Серебрякова И.Б. Защитные покрытия металлов. // Научные труды / Урал НИИ Чермет. Свердловск, -1972. -№13. -С. 25-30.

13. Дефекты на горячеоцинкованных изделиях. Справочник / Пер. с нем. под ред. Хорстмана. -М.: Металлургия, 1983. -588 с.

14. Зайцев В .Я. Металлургия свинца и цинка. -М.: Металлургия, 1985. -318 с.

15. Захарова Т.В., Попель С.И. Черная металлургия. // Известия вузов. -1972. -№8. -С. 17-20.

16. Кнаушнер А. Повышение качества поверхности и плакирование металлов. / Пер. с нем. -М.: Металлургия, 1984. -367 с.

17. Колобов Г.А., Бредихин В.Н., Чернобаев В.М. Сбор и обработка вторичного сырья цветных металлов. -М.: Металлургия, 1993. -288 с.

18. Коррозия. Справочное издание./ Под ред. Шрайдера Л.Л. Пер. с англ. -М.: Металлургия, 1981.-632 с.

19. Краткая химическая энциклопедия. / Под ред. Кнуянц И.Л., Т-Я. -М.:Сов. Энциклопедия, 1967. -1238 с.

20. Лайнер В.И. Защитные покрытия металлов: Учебное пособие для вузов. -М.: Металлургия, 1974. -559 с.

21. Лейкин Р.Д. Переплавка свинцовых и цинковых ломов и отходов. -М-Л.: ГОНТИ, 1939. -49 с.

22. Литейное производство за рубежом. / В.М. Шестопал, B.C. Шумихин, П.И. Бурман, Э.В. Захарченко. -Киев: Наукова думка, 1983. -С.7.

23. Металловедение и термическая обработка металлов / А.И. Виткин, Г.А. Кокорин, А.Г. Гришко и др. // Сталь. -1973. -№4. -С. 60-62.

24. Оленина Н.С., Оконшиников A.M. Современные тенденции утилизации лома и отходов цветных металлов за рубежом. Выпуск 1. -М.: ЦНИИ Цветмет экономики и информации, -1983. -96 с.

25. Переработка отходов ванны горячего цинкования / O.A. Вальдман, А.П. Домогатский, В.П. Антроковский, В.Н. Цейтлин // Сталь. -1995. -№5. -83 с.

26. Пат. 2102668 РФ, МКИ 6 F 27 В 7/00. Плавильная печь / Я. Е. Линнаинмаа (Финляндия), A.A. Алексеев, В.А. Власов, К.Н. Мамедов (Россия). -№96107458/02; Заяв. 23.04.96; Опубл. 20.01.98. Бюл. №2. -8 е., Зл. ил.

27. Пат. 2230947 Франция, МКИ F 27 b 7/00. Печь для извлечения ценных металлов / Andre Bouju (Франция). №7.478/73; Заявл. 21.05.74; Опубл. 20.12.74; НКИ 74.17587. 8с.

28. Покрытия цинковые защитные стальных труб судовых систем. Технические требования. Типовой технологический процесс. РД5.95027-88. -Л.: РТП НПО «РИТМ», 1988. -С.74.

29. Полинг Л. Общая химия. -М.: Мир, 1974. -846с.

30. Проскуркин Е.В., Попович В.А., Мороз А.Т. Цинкование: Справочник. -М.: Металлургия, 1988. -528 с.

31. Рельстон О.Ц. Гидрометаллургия и электролитическое осаждение цинка. -М-Л.: Цветметиздат, 1932.119 с.

32. Свид. 2586 РФ, МКИ 6 С 22 В 7/00. Устройство для переработки металлосодержащих отходов / Я. Линнаинмаа (Финляндия), В.А. Власов, К.Н. Мамедов, A.A. Алексеев (Россия). -№95106705/20; Заявл. 25.04.95; Опубл. 16.08.96. Бюл. №8.-2 с.

33. Советский энциклопедический словарь. -М.: Советская энциклопедия, -1980.-1599 с.

34. Современные тенденции и практика ликвидации вредных отходов в земле /Доклад ООН/. 2/. 37. -Нью-Йорк, -1986. -44 с.

35. Соголовская А.Г., Эйчис А.П. Прогрессивные методы горячего цинкования. -Киев.: Техшка, 1967. -125 с.

36. Список научно-технической документации, действующей в системе вторсырья ГОССНАБА СССР на 01.01.1987 г., -М.: Госснаб, -1988. -16 с.

37. Тарасов A.B., Бессер А.Д., Мальцев В.И. Металлургическая переработка вторичного цинкового сырья / Под ред. Тарасова А.В.-М.: Гинцветмет, 2004,-219с.

38. Тарасова A.A. Особенности цинкования кремнийсодержащих сталей. -М.: Металлургия, 1984. -71 с.

39. Тонконогий A.B. Основы металлургии, т.1. ч.2. -М.: ГНТИ, -1961. 232 с.

40. Хунцария Э.М. Структура и защитные свойства цинковых покрытий в зависимости от технологии их нанесения на сталь. -М.: Альфа, -1993. -132 с.

41. Шелудяков JI.H. Комплексная переработка шлаков цветной металлургии. Алма-Ата: Наука КазССР, -1990. -166 с.

42. Шумихин B.C., Бурман Н.П. Состояние и тенденции выпуска отливок за рубежом. // Литейное производство. -1999. -№11. -С. 34-35.

43. Corrosion protection by hot dip galvanizing. 1992. S. 13-16.

44. Gebhardt M.u.a. // Oberflachentechnik. 1969. Bd 46. № 5/6. S. 107-111.

45. Geblins P.J. // Corrosion scince. 1974. V.14. №8. P. 507-509.

46. Gecsei G. // Korrosion figyelo. 1979.V.19.№2. P. 44-51.

47. Ghonien M.A. // Diss. TU Berlin West. 1972. S. 88-89.

48. Hansel G. // Thick and irregular galvanized coatings. Proc. 13 Int Galvanizing conf. London. 1982. Zinc Dev Association London. P. 21-23.

49. Harvey G.I. // Metllurg. Transaction. 1973. V.4. №2. P. 619-621.

50. Horstmann D. // Allgemein gesetz-massigkeiten des einflusses von eisenbegleitern auf die vorgange beim feuerverzinken. Stahl u Eisen 80 (1960):22. S. 1531-1540.

51. Horstmann D. // Arch. Eisenhuttenwes. 1956. Bd 27. №5. S. 297-302.

52. Kendler E. // Schriftenreihe Zentralstelle fur korrosionsschutz. Dresden. 1975. №16/17. S. 5-24.

53. Leroy, Vetal. // Galvanizing of silicon containing steels. Ibid. P. 54-58.

54. Machu W. // Maschinenmarkt. 1971. Bd 77. S. 467-469.

55. Metall. 1982. Bd 36. №4, S. 428-431.

56. Modern metals. 1981. №10. P. 66-68.

57. Paulidis Chr. // Diss. TU Clausthal. 1972. C. 28-29.

58. Scrap age. 1982. V. 39. №3. P. 29-30.

59. Seith W. // Diffusion in metallen. Berlin West.: Springer. Verlag. 1953. S.12-14.

60. Statens Planverk: Bestammelser for stalkonstruktioner, BSK, AB Svensk Byggjanst, Tredje tryckningen, Stockholm. 1988. S. 21-22.

61. Statens Planverk: Rostskyddsnorm, utgava2, StBK-№4 AB Svensk Byggtjanst, Stockholm. 1988. S. 11.

62. Teindl I., Dedinova B. Hutnik (CSSR). 1971. t.21. №4. C. 141-145.

63. Installation de traitement des dechets metalliques: Пат. 2144235T Испания, МКИ C21C1/00

64. Installation zur metall schrottbehandlung: Пат. 69605790D Германия, МКИ C21C1/00.

65. Instalado para o processamento de residuos metálicos: Пат 828858 Португалия, МКИ C22B 007/00/ / J. Linnainmaa (Финляндия), V. Vlasov, К. Mamedov, A. Alexeev (Россия); № 95106705; Заявл. 25.04.95; Опубл. 18.03.98; НКИ F27 В 007/08 В. 3 с.

66. Metal waste processing facility: Пат 5928602 США, МКИ С21С 1/00.

67. Metal waste processing facility: Пат. 0828858 ЕР, МКИ С21С1/00.

68. Metal waste processing facility: Пат. 5401096 Австралия, МКИ С21С 1/00.

69. Metal waste processing facility: Пат.693758 Австралия, МКИ С21С1/00.

70. Metal waste processing facility: Пат. 2218594 Канада, МКИ C21C1/00.

71. Metal waste processing facility: Пат. 974931 Норвегия, МКИ C21С1/00.

72. Metal waste processing facility: Пат. 328721 Польша, МКИ C21С1/00.

73. Reclamation of zinc from dross: Пат. 1552566 США, МКИ С 22 В 19/00/ №12796/78; Заявл. 04.04.77; Опубл. 31.03.78; НКИ C7D 13В. 3 с.

74. Recovering apparatus for zinc of zinc dust: Пат. 57-158338 Япония, МКИ С 22 В 19/30/ Kenzou Fukumoto (Япония). -№56-43324; Заявл. 24.03.81; Опубл. 30.09.82; НКИ266 С 142. 3 с.

75. Rotary melting furnace: Пат. 3814406 США, МКИ С22Ь 19/30/ Katsumi Shimizu, Mamoru Kimura (Япония). №47-74605; Заявл. 27.07.72; Опубл. 20.06.73; НКИ266/36Н. 16 с.

76. Trocken-oder Blahofen: Пат. 1758529 ФРГ, МКИ F 27 b 7/08 /Schnorr Martin (ФРГ); Заявл. 20.06.68; Опубл. 21.01.71; НКИ 31 al, 7/08. 7 с.балтийский.зппоп

77. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

78. РОССИЯ, 199106, САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, КОСАЯ ЛИНИЯ, 16 ТЕЛ (812) 324 9745, ФАКС (812) 324 9745 ТЕЛЕКС 122 581 BSHL RU, ТЕЛЕТАЙП 122 5813<t>U/<fот " Об" О Л 200 Зг.1. СПРАВКА о внедрении

79. В результате их внедрения повысилась эффективность использования цинка, сократилось количество опасных промышленных отходов.

80. Общество с ограниченной ответственностью «Любытинский завод минеральных красок»174760 пЛюбытиноул.Советов,121р/с 40702810343050106012

81. Боровичском ОСБ№ 1920/015371. Новгородское ОСБ № 8629г.В.Новгородк/сч 30101810100000000698 Бик 044959698тел.61-701 ИНН 5306006351 КПП 530601001 ОКПО 73114450 ОКНХ 490132702.20071. АКТ внедрения

82. ООО «Любытинский завод минеральных красок» (до реформирования в 2004 году ОАО «Минерал») является производителем оксида цинка (цинковых белил) и лакокрасочной продукции различного назначения на его основе.

83. Работы выполнялись при непосредственном участии автора и патентообладателя технологий и оборудования Алексеева Александра1. Алексеевича.1. Директор завода

84. Телефон: (812)428-74-69, Факс: (812)428-44-77 От№1. На №от

85. Работы выполняются с начала производства по настоящее время при непосредственном участии разработчика печи и исполняющего полномочия представителя финского заказчика Алексеева А.А.1502.20071. Справка о внедрении1. А.В. Иванов0502.20071. АКТ внедрения

86. НПО «Феникс» специализируеся на производстве цинка и сплавов на его основе, а также изготовлении деталей различного назначения методом литья под давлением.

87. Среди потребителей нашей продукции ОАО «Балтийский завод», ОАО «Окская судоверфь», ОАО Завод «Красное Сормово» и ООО «БСК-335 завод»- горячее цинкование, ОАО «Автоарматура» и ООО «Топливные системы»- литье цинковых сплавов и многие другие.

88. E-mail: NPOFenix@rambler.ru1. Генеральный директор1. О.В.Ершов

89. Рис. 4.4. Организационно-технологическая структура предприятия горячего цинкования с комплекснойутилизацией цинкосодержащих отходов.

90. ПРОИЗВОДСТВО ЦИНКОВЫХ БЕЛИЛ

91. На основании полученных результатов разработана организационно-технологическая структура производства по выпуску цинковых белил с