автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Основы теории и технологии утилизации дисперсных отходов машиностроения в производстве фасонных отливок из черных металлов

ВВЕДЕНИЕ.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ЛИТЬЯ НА ЭТАПАХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСПЛАВА ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМЫ.

ГЛАВА I. УТИЛИЗАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В ВАГРАНОЧНОМ ПРОЦЕССЕ.

1.1. Комплексный метод определения технических показателей ваграночной плавки на комбинированном дутье с использованием дисперсных отходов производства.

1.2. Эффективность замены кускового кокса измельченным его отсевом, вдуваемым через фурмы.

1.3. Эффективность замены сырого известняка вдуваемыми через фурмы дисперсными высокоосновными отходами производства.

1.4. Эффективность вдувания в горн железосодержащих дисперсных отходов производства.-.

Выводы.

ГЛАВА 2. УТИЛИЗАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ В СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСПЛАВА ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ.

2.1. Схема технологического процесса и плавильного агрегата для приготовления расплава черных металлов из дисперсных железосодержащих отходов производства.

2.2. Критериальная модель твердофазной противоточной цементирующей металлизации.

2.3. Модельные представления о металлизационных процессах железа в условиях работы специализированного плавильного агрегата с использованием твердого углеродистого восстановителя.

2.4. Анализ условий жидкофазной металлизации кремния при синтезировании расплава чугуна в специализированном плавильном агрегате.

2.5. Расчетные и практические показатели работы пилотной установки по утилизации дисперсных железосодержащих отходов машиностроения.

Выводы.

ГЛАВА 3. УТИЛИЗАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ В

ИЗГОТОВЛЕНИИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ.

3.1. Прочностные и эксплуатационные характеристики композиций из дисперсных железосодержащих отходов и изготовленной из них литейной формы.

3.2. Теплообменная модель взаимодействия отливки и литейной формы.

3.3. Сравнительный анализ тепловых свойств металлизированной литейной формы.

3.4. Технологический процесс образования компактных форм графита серых чугунов в металлизированных литейных формах.-,

Выводы.

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ РАСПЛАВОВ, ПРИГОТОВЛЕННЫХ ПРЯМЫМ СИНТЕЗИРОВАНИЕМ НА ОСНОВЕ

ДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ.

4.1. Маслосъемное поршневое кольцо.

4.2. Компрессионное поршневое кольцо.

4.3. Седло клапана.

4.4. Вставка штампа горячего объемного деформирования.251 Выводы.

Актуальность темы. Производственная деятельность крупных машиностроительных предприятий сопряжена с образованием в достаточно больших количествах и разнообразной номенклатуры отходов в том числе и дисперсного вида, которые представляют большую проблему по вовлечению их в технологический процесс как по причине их дисперсности, так и наличия в них неметаллических включений и окисленной формы существования металлических элементов. Выпуск I т годных отливок сопровождается выбросом до 30 кг шли [165]. Чтобы оценить масштабы образования железосодержащих дисперсных отходов машиностроительного производства, достаточно привести примеры по работе электродуговых печей [166], в которых улавливается плавильная пыль в количестве 10 - 20 кг/т чугуна и стаж, кузнечных и термических цехов, в которых образуется окалина в количестве 20 - 50 кг/т изделий. При работе других подразделений машиностроительного комплекса также образуются дисперсные железосодержащие отходы: шламы электрохимической и электроэррозионной обработки, гальванические, от очистки сточных вод, дробеметной обработки, напыли-тельных, заточных, помольных операций, обнаждачивания и других видов обработки металлов резанием. Все это вывозится в отвалы, в которых захоронено свыше 500 тыс. тонн железосодержащего шлама [167, 168]. При этом обществу наносится значительный экологический ущерб, а машиностроительные предприятия вынуждены нести бремя издержек по организации захоронений и уплате штрафов. Особую проблематичность в этой связи представляют неутилизируемые высокотоксичные промышленные отходы, объем которых на территории России составляет более 20 млн т, 6 причем 0,75 млн т из них - это упомянутые выше гальваношламы [169, 170]. Они согласно классификации Федеральной целевой программы "Отходы" относятся к I классу токсичности и выделяются в отдельную грушу по проблематичности утилизации и безопасного захоронения. По данным [171] захоронение I т гальваношламов в высоко экономически развитых странах обходится 485 долл. Однако, элементный состав гальваношламов дает основание рассматривать их как перспективный сырьевой материал в виде заменителей полиметаллических руд и известняка. Серьезную экологическую опасность представляет также окалина многих легированных и даже низколегированных сталей, которая содержит вредные и тяжелые элементы. В местах захоронения такой окалины и далеко за их пределами земля и подпочвенные воды оказываются зараженными на долгие годы и десятилетия.

В отраслях промышленности, связанных с производством первичного металла, известны технологические решения по утилизации указанных отходов. В первую очередь это относится к агло-доменному производству и альтернативным вариантам получения первичного металла: "Мидрекс", "Корекс", "Ромелт" [172-179]. Но, во-первых, на самих предприятиях с полным металлургическим циклом образуется большая масса отходов в виде пылей, окалины, отсева агломерата и окатышей, которая в пересчете на металл составляет 10 % объема производства первичного железа [1801, и только 40 % его утилизируется, а остальные 60 % накапливаются в отвалах и отстойниках [173]. По данным [181] на каждом металлургическом предприятии России к настоящему времени скопилось сотни тысяч и даже миллионы тонн окалины, которая могла бы обеспечить сырьем данное предприятие на двухгодичный пери7 од. Во-вторых, обсуждаемые агрегаты с большой единичной мощностью предназначены для выплавки первичных металлов в условиях металлургического завода и не приемлемы для машиностроительных предприятий, производящих конструкционные литейные материалы. К тому же, как показывает развернувшаяся дискуссия [89, 90, 172, 174, 182-189], нет полной ясности в вопросах технологичности, экономичности и экологичности альтернативных процессов получения первичного металла, а также утилизации в них дисперсных отходов производства. В-третьих, современные экономические условия в нашей стране сложились таким образом, что при всеобщем росте цен тарифа на железнодорожные перевозки увеличивались значительно быстрее, чем цены на продукцию и услуги во всех других отряслях народного хозяйства. Например, за период 1992 - 1994 г.г. цены в металлургии выросли в 1662 раза, в МПС - в 3380 раз [190]. В последующий период тарифы на железнодорожные и грузовые перевозки также продолжали увеличиваться опережающими темпами. Их рост к настоящему времени составил 140 % [191]. По мнению [192] дальнейшее, даже незначительное повышение тарифов на перевозки, цены на которые уже достигли критических значений, может привести к остановке производства. Поэтому остро стоит вопрос о максимально возможной степени утилизации отходов производства машиностроительного комплекса внутри него, решение которого позволит удешевить выпускаемую продукцию и улучшить экологическую обстановку в регионе.

Таким образом, научно-техническая проблема утилизации наиболее трудно поддающихся этой операции дисперсных отходов производства, в которых ценные элементы могут находиться в 8 окисленном состоянии, является актуальной. Эффективное решение указанной проблемы может быть найдено в технологических процессах литейного производства. Например, железосодержащие дисперсные отходы производства такие, как пылевой продукт электродуговой плавки черных сплавов, окалина, пыли обнаждачивания изделий находят применение там, где раннее использовался зкеле-зоокисный пигмент (стержневые смеси, пропиточные составы, кокильные покрытия, металлофосфатные связующие и смеси). Но использование дисперсных отходов производства по указанному назначению настолько мало, что не может поглотить всю образующуюся их массу. Кроме того, ввиду жестких требований по гранулометрическому, химическому и фазовому составу, предъявляемых к материалам технологического процесса получения качественных железофосфатных связующих композиций, применение дисперсных железосодержащих отходов создает множество проблем, порождающих нестабильность процесса в целом [193-196]. К тому же следует также отметить, что проблема утилизации в полном ее смысле не решается, так как после определенного числа циклов работы дисперсных отходов в составе формовочных и стержневых смесей они оказываются в отвалах.

В настоящей работе проблема утилизации дисперсных отходов производства решается через литейные процессы, связанные с производством чугуна в вагранках и в специализированном электротермическом плавильном агрегате, осуществляющем твердофазную и жидкофазную металлизацию элементов, а также с изготовлением формы [29, 47, 86-88, 142, 143, 197-226, 230-232]. Указанные процессы являются эффективными при утилизации дисперсных отходов производства, так как в процессе плавки с металлиза9 ционными аспектами происходит образование двух несмешивающихся жидких фаз: шлаковой и металлической, последняя из которых поглощает денные составляющие отходов даже, если они присутствуют в них в окисленном состоянии. Что касается литейной металлизированной формы, изготовленной из дисперсных отходов производства, то и в этом случае проблема утилизации полностью решается, так как отслужившая свой ресурс форма может быть использована как шихтовый материал при плавке литейных сплавов.

Цель работы - разработка технологических решений и их теоретического обоснования по утилизации дисперсных отходов машиностроения в технологическом процессе литья на этапах приготовления расплава черных металов и изготовления формы. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- Анализ состояния вопроса в области образования неутили-зируемых отходов дисперсного вида в машиностроительном комплексе и технических, технологических, экологических и экономических проблем, связанных с их утилизацией и захоронением.

- Разработка методологии определения технических показателей ваграночной плавки чугуна на комбинированном дутье с использованием дисперсных отходов производства.

- Исследование и анализ эффективности замены в ваграночном процессе топливного, флюсового и металлического компонентов кусковой шихты, загружаемой сверху, вдуваемыми в горн дисперсными отходами.

- Разработка принципиальной схемы технологического процесса утилизации дисперсных железосодержащих отходов и конструктивного его оформления в литейном производстве чугуна путем

10 прямого синтезирования в специализированном электротермическом плавильном агрегате с раздельным проведением металлизации элементов в твердой и жидкой фазах.

- Разработка критериальной модели твердофазной противоточ-ной цементирующей металлизации железа на основе исследований кинетических закономерностей гетерогенного взаимодействия капиллярно-пористой композиции из дисперсных железосодержащих отходов производства с газовой фазой.

- Разработка модельных представлений и исследование ме-таллизационных процессов железа и кремния с участием жидкой шлаковой фазы в условиях работы специализированного электротермического плавильного агрегата с использованием твердого углеродистого восстановителя.

- Исследование прочностных характеристик композиций из дисперсных железосодержащих отходов, стойкостных показателей изготовленных из них металлизированных литейных форм и тепловых ее свойств.

- Разработка физико-математической модели процесса затвердевания отливки с учетом ее конфигурации в реальных условиях теплового взаимодействия литейного сплава и формы на базе сведения решения поставленной задачи к одномерному пространству с использованием классических уравнений Стефана-Шварца.

- Исследование особенностей формообразования графита серого чугуна, полученного прямым синтезированием из дисперсных железосодержащих отходов в специализированном электротермическом плавильном агрегате без модифицирующего воздействия на жидкий металл, при затвердевании в песчаной форме в естественных условиях охлаждения, а также в металлизированной литейной фор

II ме в условиях регламентированного режима охлаждения путем закалки из жидкого состояния и изотермической выдержки затвердевшего чугуна в при температуре 1223-1273 К.

Научное направление работы. Анализ физико-химических явлений в технологическом процессе литья на стадиях приготовления расплава черных металлов в вагранках и специализированных электротермических плавильных агрегатах, а также изготовления литейных форм с широким использованием дисперсных отходов машиностроительного производства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Разработано научное обоснование концепции утилизации дисперсных отходов машиностроения в технологическом процессе литья на этапах приготовления расплава черных металлов и изготовления литейной формы.

- Разработан комплексный метод определения технических показателей ваграночной плавки чугуна на комбинированном дутье с использованием в процессе дисперсных отходов производства.

- Разработаны концепции и подтвержденные экспериментальными данными методики расчета эффективности мероприятий по организации работы вагранки с вдуванием в горн на различных его горизонтах пылегазовых смесей, содержащих дисперсные отходы производства в качестве заменителей топливной, флюсовой и металлической частей кусковой шихты, загружаемой сверху.

- Установлена взаимосвязь между развитием реакции Белла-Будуара в ваграночном процессе и эффективностью коксосберега-хяцих мероприятий, связанных с повышением теплового эквивалента кокса, дополнительным введением в ваграночный процесс веществ с положительным тепловым эквивалентом или заменяющих таковые с

12 более низким тепловым эквивалентом.

- Разработана концепция прямого синтезирования черных литейных сплавов из дисперсных железосодержащих отходов производства, в которых необходимые для этой цели элементы присутствуют в окисленном состоянии.

- Разработан специализированный плавильный агрегат на постоянном токе, с электродуговым нагревом прямого действия, с катодной поляризацией донной металлической фазы, с донным выпуском металла, в котором осуществляется прямое синтезирование черных литейных сплавов из дисперсных железосодержащих отходов производства путем жидко- и твердофазной противоточной цементирующей металлизации необходимых элементов.

- Разработаны критериальные представления о процессах металлизации необходимых для прямого синтезирования черных литейных сплавов элементов из твердой фазы гранульных композиций в условиях их противотока с газообразным восстановителем на основе результатов исследования кинетических закономерностей гетерогенного взаимодействия капиллярно-пористой композиции из дисперсных железосодержащих отходов с газообразным восстановителем, а также из жидкой шлаковой фазы на основе анализа термодинамических и кинетических условий перехода элементов из шлаковой фазы в металлическую.

- Установлены комплексные параметры (кинетический и газовый критерии), определяющие закономерности протекания процесса твердофазной цементирующей металлизации железа гранульных композиций газовой фазой в условиях противоточного реактора специализированного плавильного агрегата.

- Установлены долевое участие и влияющие на него факторы

13 жидко- и твердофазной металлизации базового компонента черных литейных сплавов - железа в специализированном плавильном агрегате при использовании твердого углеродистого восстановителя.

- Установлена склонность серых чугунов, полученных в специализированном плавильном агрегате из дисперсных железосодержащих отходов, к образованию компактных форм графита без модифицирующего воздействия на жидкий металл при затвердевании в песчаной форме в естественных условиях охлаждения, а также в металлизированной литейной форме в условиях регламентированного режима охлаждения путем закажи из жидкого состояния и изотермической выдержки при температуре 1223-1273 К.

- На основании исследования механических и тепловых свойств композиций из дисперсных железосодержащих отходов предложена технологическая схема изготовления металлизированной литейной формы многоразового действия, вобравшей, в себя преимущества металлической и песчаной форм.

- Разработана концепция и физико-математическая модель затвердевания отливок с реальной конфигурацией и учетом практических условий на основе классических уравнений одномерной задачи Стефана-Шварца, позволяющие производить сравнительный анализ кинетических закономерностей теплового взаимодействия затвердевающей отливки и литейной формы.

Практическая ценность и реализация работы.

Разработаны и внедрены технологические процессы и специ-лизированный плавильный агрегат прямого синтезирования сплавов (литейные чугуны: серые, белые, легированные; штамповые стали; ферромолибден), а также технология изготовления металлизиро

14 ванных литейных форм из дисперсных железосодержащих отходов производства (пыли: бегхаузная, от обработки изделий дробью; кузнечная окалина; молибденовый шлам).

Разработан комплексный метод определения технических показателей ваграночной плавки на комбинированном дутье с вдуванием в горн дисперсных отходов производства, являющийся базой для прогнозных расчетов эффективности ресурсосберегающих мероприятий.

Основные разработки диссертации в области ресурсосберегающих технологических процессов с использованием дисперсных отходов производства апробированы на машиностриительных предприятиях PMS и ТЭТЗ г. г. Торез и Снежное, химическом заводе им. JE.Я. Карпова г. Менделеевск, ОАО "КАМАЗ" г. Набережные Челны и внедрены на последнем машиностроительном комплексе. Общий итог результатов внедрения научных разработок, выраженный в виде годового экономического эффекта в масштабах производства и цен периода до 1991 года, оценивается порядка I млн руб.

Апробация работы. Основное содержание работы по теме диссертации изложено в 54 научных публикациях, в том числе 8 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на I и 2 Международных симпозиумах по проблемам комплексного использования руд (г. Санкт-Петербург, 1994г., 1996г.), Международных научно-технических конференциях (г. Ижевск, 1994 г.; г. Набережные Челны, 1996 г., 1997 г., 1999 г., 2000 г.; Тольятти, 1996 г.), Межгосударственной научно-практической конференции (г. Пенза, 1994 г.), Всесоюзной конференции (г. Казань, 1990 г.), Межреспубликанских нау

15 чно-практических семинарах литейщиков (г. Чебоксары, 1987 и 1990 г.), Республиканских научно-технических конференциях (г. Одесса, 1988 и 1990 г.; г. Набережные Челны, 1988 и 1990 г.), Зональной научно-технической конференции (г. Ярославль, 1987г.), Региональной научно-технической конференции (г. Барнаул, 1988 г.), научно-практической конференции литейщиков Западного Урала (г. Пермь, 1989 г.), Областной научно-производственной конференции (г. Брянск, 1983 г.), Межвузовской научно-практической конференции (г. Набережные Челны, 1998 г.).

На защиту выносятся следующие вопросы:

- комплексный метод определения технических показателей ваграночной плавки на комбинированном дутье с использованием дисперсных отходов производства;

- экспериментальные исследования, теоретический анализ и методика определения эффективности замены в ваграночном процессе кусковых материалов топливной, флюсовой и металлической частей загружаемой сверху шихты вдуваемыми в горн дисперсными отходами производства; принципы организации технологического процесса и специализированный плавильный агрегат для утилизации дисперсных железосодержащих отходов в литейном производстве чугуна путем прямого синтезирования из элементов, металлизированных твердо-и жидкофазным способами.

- критериальная модель противоточной твердофазной цементирующей металлизации основы литейного чугуна - железа газовой фазой, основанная на использовании экспериментально исследованных кинетических закономерностей гетерогенного взаимодействия капиллярно-пористой композиции из дисперсных железосодер

16 жащих отходов с газовой фазой;

- теоретический анализ, экспериментальные исследования и выявленные закономерности в металлизационном процессе железа и кремния в условиях специализированного плавильного агрегата при использовании твердого углеродистого восстановителя;

- экспериментальные результаты и теоретический анализ особенностей формообразования графита серых чугунов, полученных из дисперсных железосодержащих композиций в специализированном плавильном агрегате без модифицирующего воздействия на жидкий металл, при затвердевании а песчаной форме в естественных условиях охлаждения, а также в металлизированной литейной форме в условиях регламентированного режима охлаждения путем закажи из жидкого состояния и изотемической выдержки при температуре 1223-1273 К;

- результаты исследования прочностных характеристик и тепловых свойств композиций из дисперсных железосодержащих отходов на различных стадиях изготовления металлизированной литейной формы многоразового использования;

- научные концепции и методика моделирования теплового взаимодействия затвердевающей отливки и литейной формы в сложных условиях теплообмена с приведением к задаче одномерного пространства на примере сравнительного анализа тепловых характеристик металлизированной формы из дисперсных отходов производства ; и научные положения, являющиеся результатом анализа явлений ваграночной плавки чугуна на комбинированном дутье с вдуванием в горн дисперсных отходов производства, а также плавки чугуна из дисперсных железосодержащих отходов машиностроитель

17 ного комплекса в специализированном электротермическом агрегате :

1. Всякое коксосберегающее мероприятие, связанное с введением в ваграночный процесс дополнительных веществ, обладающих ■положительным тепловым эквивалентом, или веществ, заменяющих таковые с более низким тепловым эквивалентом, а также внедрение мероприятий, увеличивающих тепловой эквивалент кокса, приводит к его "основной" экономии с параллельным ослаблением реакции Белла-Будуара и получению в связи с этим "дополнительной" экономии кокса тем большей, чем выше его доля газифицируется в редукционной зоне.

2. Серые чугуны, получаемые прямым синтезированием из дисперсных железосодержащих отходов в специализированном электротермическом плавильном агрегате, проявляют склонность к образованию компактных форм графита без модифицирующего воздействия на жидкий металл при затвердевании в песчаной форме в естественных условиях охлаждения, а также в металлизированной литейной форме в условиях регламентированного режима охлаждения, обуславливающего метастабильную кристаллизацию чугуна из жидкого состояния и протекание I стадии графитизации цементита, совершающейся при изотермической выдержке с литейного нагрева в течение кратковременного периода (=*2 часа) при температуре 1223-1273 К.

18

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ЛИТЬЯ НА ЭТАПАХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСПЛАВА ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМЫ

Литейное производство в настоящее время базируется на использовании в качестве исходных материалов для приготовления расплавов ж изготовления литейной формы многоразового действия тех, в которых элементы находятся в восстановленной форме, то есть на использовании в основном продукции черной и цветной металлургии, ферросплавной промышленности и металлического лома [227, 228]. Доля затрат на шихтовые материалы при приготовлении расплавов колеблется на уровне 70 %. Поэтому всякая попытка при синтезе литейных материалов отказаться от традиционных компонентов должна привести к существенному технико-экономическому эффекту. В данной работе рассматривается вопрос об использовании в процессе синтезирования литейных материалов дисперсных отходов производства, в которых необходимые элементы могут находиться как в восстановленной, так и в окисленной форме. Для этой цели пригодны также и рудные концентраты. Такая постановка вопроса позволяет трактовать синтезирование литейных материалов как прямой процесс, в котором необходимый для синтеза элемент восстанавливается, или подвергается металлизации. Производственная деятельность машиностроительного комплекса связана с образованием многочисленного вида и в достаточно большом количестве дисперсных отходов, которые представляют большую

19 проблему по их эффективной утилизации и в силу этого зачастую находящих свое место в карьерах и отвалах. Тем самым окружающей среде наносится значительный экологический ущерб, а машиностроительные предприятия вынуждены терпеть немалые убытки, связанные с организацией захоронений отходов и штрафными санкциями. Но эти же отходы могут приносить и прибыль благодаря наличию в них элементов для синтеза литейных материалов. К обсуждаемым дисперсным отходам, содержащим железо, относятся металлургическая пыль, образующаяся при плавке черных литейных сплавов и улавливаемая из газовой фазы в очистных установках, окалина кузнечного й термического производства, шламы электрохичес-кой и электроэрозионной обработки черных металлов, а также гальванического производства, пылевидные отходы напы-лительных операций. В этих отходах железо присутствует в окисленной форме. Производственные процессы на машиностроительных предприятиях сопровождаются также образованием дисперсных отходов, содержащих железо в металлическом состоянии. К ним относятся стружка, образующаяся при различных видах механической обработки резанием, отходы дробеструйных, дробеметных и помольных агрегатов.

Указанные отходы, ввиду их дисперсности, а также наличия неметаллических примесей, являются мало пригодными для утилизации в технологических процессах машиностроительного комплекса. Тем не менее они часто содержат полезные элементы, которые могут играть роль легирующих в процессе синтезирования литейных сплавов. Если вести речь о черных литейных сплавах, то их можно синтезировать без использования ферросплавов с

20 применением стружки цветных металлов (например, алюминиевые и медистые чугуны), отходов от абразивной обработки изделий из высоколегированных черных сплавов и заточных операций режущих инструментов. В ОАО "КАМАЗ" при изготовлении поршневых колец на стадии их молибденирования газотермическим способом с последующим шлифованием образуется молибденовый шлам, содержащий порядка 70% Мо. Нами разработана технология по использованию этого материала при синтезировании молибденового чугуна для седел клапанов и получении ферромолибдена с содержанием до 60% Мо. Соответствующие акты внедрения и сертификат качества приведены в приложении. На примере этого же машиностроительного комплеса можно указать на разработанный нами технологический вариант приготовления расплава чугуна (акт внедрения приведен в приложении), кристаллизующегося с образованием компактных форм графитных включений, синтезирование которого проводится с использованием дисперсных отходов производства ОАО "Камский литейный завод" в виде бигхаузной шли, тонкодисперсных некондиционных отходов дробления ферросиликомагниевой лигатуры и графитовой стружки. Одной из замечательных сторон этой технологии является та, что отпадают заботы по борьбе с серой благодаря тому, что ее нет в исходном основном железосодержащем материале, а именно: бигхаузной пыли. Это яркий пример того, что дисперсный отход производства, несомненно выигрывая в экономической стороне дела перед традиционными шихтовыми материал лами, часто является чище по содержанию вредных примесей, в частности серы, препятствующей образованию компактной формы графита в чугуне. То количество бигхаузной пыли, которое образуется и улавливается в производственном процессе литейно

21 го завода ОАО "КАМАЗ", покрывает потребность в дорогостоящих шихтовых железосодержащих материалах для получения отливок поршневых колец.

В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с I утилизацией дисперсных отходов машиностроительного комплекса в технологическом процессе литья на этапах приготовления расплава черных металлов в вагранках и специализированном электротермическом плавильном агрегате, а также изготовления литейной формы.

Ваграночный процесс протекает в многофазной, многокомпонентной системе, в которой каждый участник физико-химических превращений вносит свою лепту в процесс синтезирования расплава чугуна. Сложная взаимосвязь материальных и тепловых факторов в процессе синтезирования ставит задачу о разработке комплексного метода определения технических показателей ваграночной плавки чугуна с использованием комбинированного дутья. Вагранки, являясь в настоящее время самым распространенным плавильным агрегатом в чугунолитейном производстве, наряду с несомненными преимуществами перед другими, связанными с низкими капитальными и энергетическими затратами, простотой обслуживания и управления плавильным процессом, обладают возможностью эффективно утилизировать дисперсные отходы производства без их предварительной подготовки. Осуществляется это путем организации пылегазовой смеси и подачи ее в горн печи на различных горизонтах. При этом следует отметить, что благодаря конструктивным особенностям все высокотемпературные превращения протекают в закрытом пространстве, и санитарно-гигиенические условия в цехе не претерпевают изменений.

22

В работе предложена также технологическая схема утилизации дисперсных железосодержащих отходов машиностроительного комплекса и специализированный плавильный электротермический агрегат. Технологическая схема предусматривает подготовку дисперсных отходов, заключающуюся в приготовлении композитной смеси, увлажненной растворами, инициирующими процесс твердения, грануляции, сушки и плавки в специализированном электротермическом агрегате, работающем на постоянном токе с электродуговым нагревом прямого действия при катодной поляризации донной металлической фазы. Особенностями предложенного плавильного агрегата являются проведение металлизационных процессов необходимых для синтезирования черных литейных сплавов элементов в твердой и жидкой фазах, расплавление гранульных композиций с качественным распределением их между двумя жидкими фазами (металлической и шлаковой) за счет ассимиляции в шлаке неметаллических составляющих и осаждения металлических в донную фазу за счет электрокапиллярного эффекта [229], получение качественных чугунов за счет комплексного воздействия внутрипечных факторов: температурного, термовременного, шлакового, электродугового и электротокового.

В работе рассматривается также вариант утилизации дисперсных железосодержащих отходов путем изготовления из них металлизированной литейной формы. Технологический процесс ее изготовления следующий: смесеприготовление, формование, сушка и металлизирующий обжиг. Причем на стадии формования используются те же технологические приемы, что и при получении песчаных форм, но в отличие от последних металлизированная форма является многоразовой и активной в тепловом отношении. Иными слова

Результаты исследования по влиянию давления рабочего газа при его расходе 50 нл/час на скорость восстановления образцов 4 и 17 при различных температурах представлены на рис. П.25 - Согласно приведенным данным, характер влияния давления зависит от условий восстановления, что, по-видимому, обусловлено изменением соотношения скоростей диффузии в объеме пор и процессов на их поверхности, а также изменением .диапазона крупности пор, для которых остаются справедливыми закономерности молекулярного течения и переходной области (благодаря зависимости длины свободного пробега от внешних условий).

Повышение давления значительно • сильно ускоряет процесс восстановления образца 4 по сравнению с образцом 17. Это приводит к тому, что наблюдаемое различие в скорости восстановления этих образцов при давлении 100 кПа по мере повышения его уменьшается. Основной причиной такого неодинакового влияния давления является то, что, если у образца 17 все поры доступны воздействию восстановительного газа, то в образце 4 есть такие мелкие поры, поверхность которых вовлекается в восстановительный процесс с повышением давления.

Увеличение давления оказывает влияние на процесс восстановления образца 17, но в малой степени, обусловленной лишь тем, что повышается градиент концентрации в слое восстановленных продуктов вследствие ускорения диффузия газов в объеме пор.

Для обоих образцов характерно затухающее влияние повышения давления на скорость восстановления, но степень затухания опять же различна . Если во всем исследованном диапазоне изменения давления скорость восстановления образца 4 постоянно 451 растет, то для образца 17 есть предельное значение давления, увеличение которого уже практически не влияет на процесс восстановления. Так восстановление образца 17 перестает зависеть от давления, начиная с 300 кПа при температуре процесса 1173 К. Другие температуры процесса сдвигают указанный порог примерно на 20 кПа. Причем, с повышением температуры увеличивается диапазон давлений, ускоряющий процесс восстановления. Расчеты длины свободного пробега молекул газообразного продукта восстановления показали, что ее величина при внешних условиях, соответствующих отсутствию влияния давления на скорость восстановления образца 17, меньше минимального радиуса пор (табл. 47 ).