автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологического процесса производства железоуглеродистых литейных сплавов из дисперсных отходов машиностроительного комплекса

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ х ' УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

1 4 ДЕК

На правах рукописи

ВОРОНИН Евгений Михайлович

УДК. 621.746/520.192.47

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ ИЗ ДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1998

Диссертация является рук- »-.ксью.

Работа выполнена кафедре "Машины и технология литейного произведет' л" К?1- ."ого политехническог о института, г. Набережные Челны.

Научный

НаучшлГ' .-■•■^улыаит:

Ч Т Н ' (Г-Г'./Ь'^^Г '\тл

Колесников М.С. кл.н., доцепт Сафронов П.Н.

Офпцл-" л.'ыс оппоненты:

['-:ду:цая организация:

д.т.н., про;:: .-ссор Фоченков Б.Л.

к.т.н., гл. специалист АО «Углеманп Трещалин В.В.

ОАО "Камский литейный завод", А "КАМАЗ". г. Набережные Челны.

3 . .ггга состоится " ___1998г. в час.

на заселении Специализированного Совета_______Московского

Iосударыиенною 1ехнического университета "МАМИ" по адресу: 105839, г. Москва, ул. Б. Семеновская 38.

Ваш • тзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-тсхничсской библиотеке унииерешега.

Автореферат разослан ___1998г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.т.н., профессор

Зуев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В литейном производстве существует юблема переработки отходов, образующихся при использовании лаженных технологий. Кроме того, ставятся задачи создания :зотходных технологий. Решение данной проблемы базируется на ■.следованиях б области максимального использования необходи-IX ценных элементов, находящихся в мелкодисперсных отходах, 1ких как пыль, улавливаемая от электродуговых печей; кузнеч-1Я окалина; отход, возникающий при дробеметной обработке из-:лий; пьшь, возникающая при дроблении ферросиликомагниевой 1гатуры и другие. Вывоз этих отходов на свалки и их неэффек-1вная переработка в первую очередь отражаются на экологии сружающей среды и рентабельности литейных заводов.

Создание технологий по утилизации отходов производства по-золяет снизить уровень загрязненности площадей вокруг промыш-гнных предприятий, а также получить качественные литейные главы из отходов путем восстановления ценных легирующих ком-знентов из оксидов. Кроме того, создание качественных синте--фсванных литейных сплавов из отходов литейного производства вводит к уменьшению дополнительных затрат на закупку модифи--фующих и легирующих добавок в основном производстве.

Таким образом, задача переработки вторичного сырья ли-эйного производства является не только актуальной, но и эко-эмически обоснованной. Ее решение базируется на исследования области влияния режимов различных .технологических стадий гилизации окисленных пылевидных отходов на получаемую метал-'¡ческую структуру и химический состав синтезируемых литейных "¡лазов.

Цель работы. Целью диссертационной работы является оазра-этка, исследование и подбор оптимальных режимов технологии олучения качественных железоуглеродистых литейных сплавов пу-эм их синтезирования из дисперсных оксидосодержащих отходов эоизводстза машиностроительного комплекса.

В соответствии с основной целью решены следующие задачи:

1. Создана технология прямого синтезирования железоуглеро--<"С ТЫЛ СПЛО-. С''. ИЗ МС Л К С ДП С П е р с Ь ЫХ ОТХОДОВ ПрОИЗ сОХ^С'гса ыашКии-

гроительного комплекса с заранее заданными составом и струк-/рей.

2. Исследовано влияние варьируемых исходных составляю шихты на структур;/ и" химический состав получаемого сплава.

3. Исследовано влияние параметров процесса металлиза: твердым и газообразным восстановителем - времени и темлерат^ металлизации на восстанавливаемость окисленных элементов, t держащихся в дисперсных отходах.

4. Исследовано влияние параметров процесса электрошлако! го переплава - силы тока и напряжения - на восстанавливаемое элементов, содержащихся в дисперсных отходах в виде оксидо!

Кijтоды исследования. Разработка технологии получения су. тезированных железоуглеродистых литейных сплавов из дисперсн оксидосодержащих-отходов производства проводилась в лаборатс ных производственных условиях.

Исследование влияния варьируемых параметров технологич ского процесса, а также исходных составляющих компонентов ши ты на структуру и химический состав получаемых литейных с.пл вов проводилось экспериментально, для чего была спроектирова лабораторная установка прямого синтезирования железоуглерод стых литейных сплавов из мелкодисперсных отходов произволе ва.

Результаты полученных экспериментальных данных обрабат вались- методами регрессионного анализа.

Научная новизна:

1. Разработан новый управляемый технологический проце производства железоуглеродистых литейных сплавов на основе п реработки мелкодисперсных и оксидосодержащих промышленных о1 ходов путем их перемешивания, :окомкования, металлизации электрошлакового переплава в дуговой п^чи постоянного тока.

2. Выявлены закономерности изменения химического состава структуры получаемого сплава з зависимости от компонентно) состава смесей и технолох-'ических параметров, позволяю® управлять процессом синтезирования железоуглеродистых сплав; с заданным химическим составом и структурой иэ отходов прои; водства.

3. Установлена зависимость структуры серого и высокопрочнс го чугунов от состава дисперсной смеси. Показано, что при пре валируюшем содержании ГКи-: - пыли от электродуговых печей шлаковых отходов в дисперсной смеси и ПЕ0 ~ пьши от дробеметне

работки от 10% до 15% образуется стабильная металлическая нова серого чугуна - перлит пластинчатый, а при увеличенном держании Пд0 >15% в структуре образуются отдельные участки сфидной эвтектики. С добавлением Пл - пыли от дробления лига-ры в количестве -0,5% от общего объема получается высокоочный чугун с шаровидным графитом и металлической основой -ррит+перлит.

4. Выявлены закономерности увеличения содержания в получае->м сплаве легирующих химических элементов Cr,Cu,Mn от времени температуры процесса металлизации за счет их восстановления, ¡мпература не оказывает существенного влияния на восстанавли-емость меди.

5. Выявлены закономерности увеличения содержания в получае->м сплаве легирующих химических элементов Si,Cr,Mn от напря-;ния и силы тока при электрошлаковом переплаве. С увеличением :азанных параметров возрастает восстанавливаемость основных ¡гирующих элементов.

Практическая ценность и реализация результатов работы в >омышленности. Полученные результаты работы позволили вне->ить технологию получения подготовительных железоуглеродистых шавов для производства специальных серых и высокопрочных чу~ /нов из мелкодисперсных и шлакообразных отходов в производст-з литых заготовок маслосъемных и компрессионных поршневых коза автомобиля "КАМАЗ" на ОАО Камский Литейный Завод.

Достоверность полученных результатов. Степень обоснованно-?и научных положений, выводов и рекомендаций базируется на зльшом экспериментальном материале. Результаты работы под-зерждены производственной проверкой и внедрены.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались

- на международном конгрессе YSTM'96 "Молодежь и наука -[I тысячелетие" в 1996 г. в МГТУ им. Баумана, г. Москга. От-гчены дипломом I степени;

- на международной конференции молодых ученых и аспирантов 1996 г. з Камском политехническом институте, г. Набережные

глны. Отмечены международным сертификатом;

- на заседании кафедры КамПИ "Машины и технология литейно-з производства" и научно-технического совета КамПИ, г. Набе-эжные Челны в 1998 г.

Объем работы. Диссертация изложена на 162 страницах машин писного текста и состоит из введения, пяти глав, общих вывод и рекомендаций, библиографии из 123 наименований, приложени а также содержит 40 рисунков и таблиц.

В первой главе на основании анализа исследований по г к реработке отходов литейного производства, выполненных автс рами Гореловым H.A., Сафроковым К.Н., Приходько Э.В., Крив: E.H., Кг\5ыльбековой Б.Н.и другими установлена возможность сш теза различных литейных сплавов высокого качества.

Таг, в работе Кривко Е.М. разработана концепция и peuiet-проблс-".а вовлечения в сталеплавильное производство технологических отходов при выплавке стальных сплавов.

В работах Одегова Е.В., Горелова H.A. и других решены вс просы исследования процесса утилизации чугунной и стальнс стружки методом электрошлаковой плавки стружечных отходов.

Однако, изучений по вопросу создания технологии прямсг синтезирования литейного сплава с заранее заданным составом структурой из мелкодисперсных отходов производства и исследо вания режимов ее технологических стадий не проводились.

Вторая глава посвящена разработке технологии прямого син~ тезирсьания железоуглеродистых сплавов из мелкодисперсных от ходов производства. Последовательность стадий разработанно технологии изображена на рис.1.

- первая стадия заключается в приготовлении дисперсных смесей из пьшеотхода от ЭДП П5]щ (33,0-99, 5%), пьшеотхода от дро беметной обработки отливок Пдо и кузнечной окалины КО (0-

37%), тонкодисперсной взвеси от дробления литейных шлаков В (20-30%), пылевидного боя графитовых электродов Пг (0,5-2,0%) i пьши от дроблении лигатуры Пл (0,5% общего объема) для получения серого и высокопрочного чугуноз и литейной стали.

Стадия приготовления дисперсных смесей является одной и: основополагающих в технологии прямого синтезирования литейньк сплавов из отходов, так как при этом происходит процесс проектирования состава смесей, в значительной степени определяющий химический состав и структуру получаемых литейных сплавов;

Исходные составляющие дисперсной смеси

Т

[ыль, ула-пиваемая т ЭДП пе-еменного эка;

Т

Пылевидные отходы дробеструйной обработки отливок, кузнечная окалина

I

Графитовая пыль, пыль от дробления ФСМг5, пылеотход от дробления литейных шлаков

I

Насыщенный водный раствор ЫаС1, отходы травителя -водный раствор хлорного железа

'3-83% 5-10% 0,4-2,0%

Перемешивание различных отходов - составление

композитной дисперсной смеси

важность смеси « 20%

Получение окатышей из дисперсной смеси с последующ? их сушкой и упрочнением

■азмер гранул 0 20-30 мм

Металлизация оксидоз железа и других элементов в | окатышах - получение металлизировано;! шихты

железа углеродом < 0,8%

Дополнительное насыщение

Электрошлаковый переплав металлизированной шихты в дугозой печи постоянного текз

ис. 1. Последовательность стадий технологического процесса производства железоуглеродистых литейных сплавов на основе утилизации мелкодисперсных отходов.

- вторая стадия заключается в окусковании дисперсных смес с целью получения гранул и последующей сушке. Гранулирован мелкодисперсной окисленной смеси производится в окомковател барабанного типа за счет скрепления мелкодисперсных част смеси между собой с помощью связующего - полного раствора о работанного травителя на основе хлорного железа (20-25% обще состава). В результате проведенных исследований зависимое времени сушки и прочности окатышей от температуры сушки ее о тимальная величина составила 100-120°С.

- третья стадия заключается в металлизации полученных ок. тышей з печах сопротивления в восстановительной среде п] температуре 900-1100 °С в течение 4-6 часов. Металлизация oki сленных элементов смеси проводится с помощью как твердого во< становителя - березкового карбюризатора, так и газообразного СО, Н_-, эндогаза, метана и других.

Исследования процесса металлизации железа оксидом углеро; на базе экспериментальной схемы в виде последовательно распс ложенных друг за другом ячеек показали, что скорость восстг новления определяется величиной парциального давления СО; константой равновесия процесса kr, зависящей от активности к> слорс.ца а;:! в материале.

Результирующая скорость процесса w рассчитывается г формуле:

W = V.(l-PC02o)«

где Рсо;.;. - парциальное давление СО: в газовой фазе предыду щей ячейки в предыдущий момент времени.

В результате исследования изменения концентрации СО? п длине экспериментальной схемы выявлено оптимальное время вое становления оксидов железа в образцах из дисперсной смеси раз личного состава. Так как парциальное давление углекислого газ увеличивается, а активность кислорода уменьшается тем сильнее чем больший расход СО в системе, то наилучшие показатели вое станавливаемости оксидов железа наблюдаются при расходе моно оксида углерода 50 л/час, а также составе дисперсных смесей П2:+К0 (20-25%), Вш (20%), П5дп (60-7.0%). Состав смесей обуслав ливается оптимальным содержанием оксидов железа.

6

РС020 1--

(1- PC02o)»kr

Параметрами, влияющими на металлизацию легирующих элементов Си, Сг, Мп являются время и температура металлизационного процесса;

- заключительной стадией общей технологии является процесс электрошлакового переплава металлизированных окатышей в электродуговой печи постоянного тока. В качестве шлаковой ванны используется соль ВаС1:, препятствующая угару ценных легирующих элементов из расплава и защищающая его от чрезмерного насыщения газообразными элементами. При получении синтезированных литейных сплавов с заранее заданным составом и структурой электрошлаковый переплав с источником постоянного тока является наиболее приемлемым. Это связано с возможностью при данном способе плавки производить дополнительную жидкофазную металлизацию элементов, не восстановившихся на предыдущей металлиза-ционной стадии.

Технологические возможности электрошлаковой переработки отходов в злектродуговой печи постоянного тока позволяют производить утилизацию окисленных шлаков и зол, образующихся при плавке алюминиевых сплавов. Под действием постоянного тока и при наличии криолитной шлаковой ванны за счет процесса электролиза происходит металлизация окисленного алюминия.

В результате экспериментов, проведенных в лабораторных условиях и при промышленном производстве опытных партий, были получены образцы подготовительного сплава для получения серого чугуна марок СЧ20, СЧ25, СЧ40, СЧ45 и высокопрочного чугунов ВЧ.70-2, ВЧ80-2, литейной углеродистой стали 20ГЛ, а также алюминиевого сплава АК12ч.

Третья глава посвящена лабораторным исследованиям полученных образцов синтезированного серого и высокоточного чугунов, а также углеродистой синтезированной стали. С этой целью были проведены химический, металлографический ч качественный анализы запланированных в получаемом сплаве характеристик и фактически получившихся в результате опытных плавок.

С целью получения достоверных данных о качестве синтезированного сплава в лабораторных условиях были проведены комплексные исследования полученных образцов. Согласно имеющихся ^Фангтлртов в специальные формы отливались образцы синтезированного чугуна, после чего был исследован его химический состав. Данные химического анализа представлены в таблице 1.

Таблица 1

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДИСПЕРСНЫХ СМЕСЕЙ И ОБРАЗЦОВ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО СПЛАВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО СЕРОГО ЧУГУНА

Химическая формула элемента Название смеси для синтезированного СЧ

Химический состав дисперсной смеси, %

ДС1 ДСП ДСШ дсху ДСТ

СеО Ге:0. БЮ; А1-0, МпО СаО МдО Сг:03 Си С г 31 МП Се N1 Р А1 ■п 49, 5'-9, 37 68,00 13,10 2.07 1,97 2,37 4,24 0,20 0,28 3.08 0, 006 51,81 8, 67 64,45 12,40 1,96 1,87 2,24 4,02 0,19 . 0,26 3,20 0,0052 0,0015 0,014 0, 01 0, 04 0,0015 0, 003 0, 003 54,22 В, 40 61, 00 11,76 1,86 1,77 2,12 3,80 0,18 0,25 3,11 0,007 0, 003 0,02 8 0,02 0,08 0,003 0, 006 0,006 56,63 7,92 57,55 11,09 1,75 1,67 2,00 3,59 0,17 0,23 2,02 0,008 0,0045 0,041 0,03 0,12 0,0045 0, 008 0,008 59, 04 7,45 54,10 10,43 1,65 1,57 1,88 3,37 0,16 0,22 2,96 0,0085 0,008 0,055 0,04 0,16 0,006 0,011 0,011

Марка чугуна Химический состав серых чугунов, %

С Р Я Ба Мп С! Ых Си Г1

СЧ 20 3, 69 0, 02 0,01 2, 43 1, 06 0,14 0,17 0,28 0,001

СЧ 20 3,71 0,025 0,01 2, 19 1,07 0,16 0,17 0,26 0,001

СЧ 25 3,80 0,030 0,01 2,39 0, 90 0,11 0,19 0,25 о, 001

СЧ 4 0 3,70 0,035 0,01 2,71 0, 64 0,16 0,20 0,23 0, 001

СЧ 45 3,85 0, 047 0, 01 2,72 0,60 0,17 0,21 0,22 0,001

Анализ данных таблицы 1 показывает соответствие химического состава мелкодисперсных отходов химическому составу вновь синтезируемого сплава, а также практическое отсутствие таких вредных примесей, как сера и фосфор. Восстанавливаемость основных химических элементов удовлетворительная. При этом наблюдается невысокая восстанавливаемость кремния и марганца.

В результате проведенных экспериментов среднее содержание кремния оказалось в пределах 2,0-3,5 %, что соответствует колебанию среднего процентного содержания кремния в чугунах {от 0,3-0,5 до 3-5 %) . Результаты оценки содержания кремния гово-

т о том, что полученный чугун в большей степени приближается высококремнистому ферритному, что соответствует структуре poro чугуна с пластинчатым графитом. При рассмотрении данных зового химического состава можно сделать вывод о том, что ;еющийся в полученном сплаве кремний сосредоточен в основном феррите. От одной до нескольких сотых долей процента колеб-тся его концентрация в цементитной фазе.

Содержание в полученном чугуне серы (0,011%) не превышает щустимого предела 0,08% - для мелкого литья и 0,1-0,2% - для )упного. Данный результат свидетельствует о том, что получаем описанным выше методом чугун исходно отвечает установлен-гм требованиям по вредным примесям, так как содержит незначишь ное их количество в композитной шихте, из которой он выявляется .

Одним из положительных результатов эксперимента является рсстановление такого карбидообразующего элемента как хром в злученном чугуне (в среднем 0,11-0,17%).

Выявлено, что медь полностью переходит из окисленных гходов в структуру чугуна и составляет в среднем 0,2 6%.

Полученный химический состав соответствует чугунам марок i 20, СЧ 25, СЧ 40, СЧ 45 из ДС1, ДСП, ДСШ, flCIV, ДСУ со-тветственно.

Испытание твердости образцов проводилось в лабораторных слсвиях, Вначале испытанию подвергались образцы, полученные з дисперсных смесей, не содержащих шлаковых составляющих.

Полученные характеристики твердости, колеблющиеся в пре-елах 200-230 НВ и 250-2 65 НВ свидетельствуют о том, что син-езированные железоуглеродистые сплавы соответствуют по меха-ическим характеристикам подготовительным чугунам для Еыплавки ерого чугуна, близкого к маркам СЧ20 и СЧ25, а также высоко-рочного чугуна, близкого к маркам ВЧ 70-2, ВЧ 80-2 с перлитом структурой и шаровидным графитом. Кроме того, данные Полуниной твердости в пределах 240-250 НВ свидетельствуют о том, гто образцы, полученные с составом исходных компонентов дис-[ерсных смесей для литейных сталей, имеют механические харак-'еристики, соответствующие подготовительному сплаву для вы-ьпавки литейных сталей марок 20 ГЛ.

В процессе исследования получены образцы подготовительных jyryHOB с содержанием кремния 5-191 и алюминия 1%, близких к ¿аркам чугунов ЧС13 и ЧЮХШ. Это достигается добавлением в дисперсную смесь тонковзвешенного дробленного чугунно-литейного алака в пределах 20-30 %.

Четвертая глава посвящена решению задачи прогнозирования структуры и химического состава получаемого литейногс сплава в зависимости от режимов технологического процесса при его производстве.

В качестве основных критериев на стадии разработки технологии получения качественных синтезированных литейных сплавов были выбраны его структура, химический состав и другие оценочные показатели качества сплава. Установление зависимости между качеством синтезируемого материала и режимами технологических операций проводилось на всех стадиях проведения технологического процесса.

Обработка данных нескольких выборок из двадцати образцов показала, что влияние на структуру получаемого сплава оказывает соотношение в исходной дисперсной смеси Пд0, ПЭдп и Пг. На рисунке 2 представлен анализ зависимости получаемой структуры СЧ , от компонентного состава ПЭдп и шлака, Пдо и Пг в проьэнт-ном отношении образцов каждой структуры к общей выборке образцов .

Варьированию подвергалось процентное содержание Пдо+КО и П-.;;: и шлака. При содержании Пдо+КО от 3 до 5%, а ПЭцп и шлака от 95,4% до 93,4% получались разнообразные виды структур серого чугуна (перлит пластинчатый наблюдался у 33% образцов, перлит с включениями феррита - у 33%, перлит с включениями цементита - 17% и феррит с включениями цементита - 17%). При содержании Пдл 10-15% картина менялась незначительно: наблюдалась стабильность появления структуры пластинчатого перлита, а также перлита с включением цементита. При значительном повышении Пл;+КО свыше 20% при содержании П-здп и шлака менее 80% наблюдалась структура перлита пластинчатого, перлита с участками цементита и ледебурита, а также структура перлита с незначительным включением фосфидной эвтектики в размере 5% от общего количества образцов. Таким образом, содержание ПдС> свыше 15% не рекомендуется в следствие образования нежелательной структ ры.

С добавлением к указанному соотношению составляющих дисперсной смеси Пл в количестве -0,5% от общего объема получается высокопрочный чугун с шаровидным графитом и металлической основой - феррит + перлит.

Содержание Пг фиксировано (1,6%), со- Содержание Пг фиксировано (1,6%), содержание Пд0 понижено (3-5 %) держание Пд0 среднее (10-15%)

; 77е/

33,3% I

Содгржание Пг фиксировано (1,6%), со- Содержание Пг понижено , содержание Пдо держание Пдо повышено (18-37 %) варьируется от 5 до 20%

Рис.2. ВИД СТРУКТУРЫ ОБРАЗЦОВ СИНТЕЗИРОВАННОГО СЕРОГО ЧУГУНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ДИСПЕРСНОЙ СМЕСИ

1 - перлит пластинчатый; 2 - перлит с включением феррита; 3 - феррит с включением цементита; 4 - перлит пластинч. с включением цементита; 5 - аустенит с включением мартенсита и тростита; 6 - перлит пластинч. с участками цементита и ледебурита; 7 - перлит пластинч. с незначительным включением фосфидной эвтектики.

С целью выявления наиболее эффективных технологических режимов процесса были исследованы факторы, влияющие на процесс восстановления оксидов легирующих элементов.

На основании опытных данных существенным влиянием на восстанавливаемость элементов обладают температура, при которой происходит восстановительный процесс - Т, °С, а также продолжительность процесса металлизации - час.

Для каждого интервала замеренных значений t и Т внутри каждого интервала изменения функции Уэ величины процентного состава проводился расчет их доверительных интервалов, после чего методами регрессионного анализа строились зависимости функции У, от времени I. Линии регрессии изображены на рис. 3.

Си, Мп, Сг, %

5 6 7 8 э ю т, час

Рис. 3. 1'рафик зависимости восстановления меди, марганца и хрома от: а) времени процесса металлизации - т, ч.; б) температуры процесса металлизации - Т,°С.

В результате исследований удалось установить, что восстанавливаемость марганца в зависимости от температуры восстановления имеет параболический характер, а восстанавливаемость хрома и кремния - линейный. Температура восстановления почти не оказывает влияния на восстанавливаемость меди.

Вссстамаь.нийаеыюс'.1'ь элементов в зависимости от времени процесса металлизации описывается уравнениями;

Рост процентного содержания Сг Рос* процентного содержания Мп

у=-0,02ЭТ; +0,75Т-3,55 у=0,27бх1СГ3Т-0,115

Рост процентного содержания Си

у=3, 35х10"1Т+0.0034

После исследования опытных данных влияния режимов плавки на качество синтезируемого сплава был выявлен суще-ственные факторы влияния: сила тока 1,А и напряжение и, В.

Зависимость увеличения процентного содержания от величины силы тока при электрошлаковой плавке описывается уравнениями для:

Хрома: у=0,0097А-1,7б;

Марганца: у=23,41Аг-7,56А+211,3;

Кремния: у=0,0044А-0,0725.

Анализ полученных данных показывает, что с ростом силы тока растет восстановление Мп,31 и Сг (рис.4). Изменение восстановления Мп в зависимости от силы тока при электрошлаковом переплаве имеет параболический характер.

Рис. 4. График зависимости восстановления кремния, марганца и хрома от силы тока при электрошлаковом переплаве.

В пятой главе приведено описание применения и внедрени; разработанной технологии в промышленности на ОАО "Камский Литейный Завод", ОАО *КАМАЗ" в 1997-98 г.г. Из мелкодисперсны: отходов литейного производства осуществлялось прямое синтезирование подготовительных железоуглеродистых сплавов для производства специальных серого и высокопрочного чугунов. Н; участке точного литья производственного корпуса стали из полученных с помощью данной технологии серого и высокопрочногс чугунов были отлиты промышленные партии литых заготовок поршневых колец - соответственно маслосъемных и компрессионны; (рис. 5).

Рис. 5. Литые заготовки маслосъемного и компрессионного поршневых колец, полученные из тонкодисперсных отходов литейного производства.

В зависимости от того, какой чугун планировалось получить, использовалась дисперсная смесь соответствующего состава: ПэдП+шлак (70-80%), Пдо+КО (10-15%), Пг (1,6%) для серого чугуна; Пэдп+шлак (70-80%), Пдо+КО (10-15%), Пг (1,6%), пыль от дробления ФСМг5 Пл (0,5% от общего объема).

С помощью созданной технологии при установленых оптимальных режимах: времени процесса металлизации (5-8) часов; температуре металлизации (900-1000 °С); силе тока при электрошлаковом переплаве (200 - 220 А) синтезировался серый чугун, оЛпзкпи по своему химическому составу к специальному чугуну, используемому на Литейном заводе ОАО "КАМАЗ" для получения маслосъемных поршневых колец (химический состав, %'. С = 3,5.„4,0;

Б! = 2,4—3,0; Мп = 0,5...0,8; Р = 0,4...0,6; 5 < 0,12; Сг £ 0,3; Си ¿0,3) . При переработке отходовой дисперсной смеси с содержанием пыли от дробления ферросиликомагниевой лигатуры ФСМг5 в количестве 0,5% удавалось получить высокопрочный чугун с шаровидным графитом, близкий по химическому составу к специальному чугуну, используемому на этом же заводе для получения компрессионных поршневых колец (химический состав, %: С = 3,5..,4,0; 81 = 2,1...2,9; Мп = 0,2...0,5; Р < 0,3; Б < 0,05; Сг < 0,2; Мёост. = 0,034) .

Экономический эффект от внедрения технологии синтезирования подготовительных железоуглеродистых сплавов для производства специальных серого и высокопрочного чугунов для изготовления литых заготовок поршневых колец в 1998 году составил:

• маслосъемное кольцо - 285,0 тыс. руб.

• компрессионное кольцо - 825,0 тыс. руб.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили разработать управляемый технологический процесс производства железоуглеродистых литейных сплавов на основе утилизации мелкодисперсных промышленных отходов, содержащих основные элементы в окисленном состоянии.

2. Анализ химического состава и структуры полученных сплавов показывает, что предложенный процесс утилизации мелкодисперсных пьшей и окисленных отходов производства обеспечивает заранее заданные химический состав, структуру и свойства получаемого литейного сплава.

3. Структура синтезированного подготовительного железоуглеродистого сплава для производства серых и высокопрочных чугунов и его химический состав зависят от состава дисперсных смесей. Анализ экспериментальных данных показал, что в синтезируемом сером чугуне при соотношении (П--,щ,+шлак! -88,4%, Шц.'+КО) -10%, Пг ~1,6°о образуется: стабильная структура серого чугуна с пластинчатым графитом, металлическая основа - перлит пластинчатый, а также перлит с включением цементита. С добавлением к указанному соотношению составляющих дисперсной смеси пыли от дробления лигатуры в количестве ~0,5% от общего объема получается высокопрочный чугун с шаровидным графитом и металлической основой - феррит + перлит.

4. Исследовано влияние времени и температуры процесса металлизации на изменение химического состава синтезированного

серого чугуна. Линии регрессии восстанавливаемости марганца имеют параболический, а хрома и частично меди - линейный характер . При всех случаях с увеличением указанных параметров возрастает восстанавливаемость основных легирующих элементов.

5. Исследовано влияние силы тока и напряжения при электрошлаковом переплаве в дуговой печи постоянного тока на изменение химического состава синтезированного серого чугуна. Линии регрессии восстанавливаемости марганца имеют параболический, а кремния и хрома - линейный характер.

6. Установлены оптимальные режимы проведения технологического процесса при производстве подготовительных железоуглеродистых литейных сплавов для чугунов марок СЧ20, СЧ25: время процесса металлизации - от 5 до 8 часов; температура металлизации - 900 - 1100 "С; сила тока при электрошлаковом переплаве - 200 - 220 А.

7. Получение подготовительных железоуглеродистых сплавов для производства серых чугунов марок СЧ 20, СЧ 25 и высокопрочных чугунов марок ВЧ 70-2 на базе разработанной технологии позволило внедрить ее в производство литых заготовок масло-съемных и компрессионных поршневых колец а/м "КАМАЗ" с годовым экономическим эффектом 1110000 рублей.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Воронин Е. Прямое синтезирование черных литейных металлов. YSIM'96: "Молодежь и наука - третье тысячелетие". Труды международного конгресса. -М.: HTA "АПФН", 1997 г. - (Сер. Профессионал), т.1 - 332 е., с илл. .

2. Сафронов Н.Н';, Воронин Е.М. Разработка технологии утилизации отходов литейного производства машиностроительного комплекса. Молодая наука -'новому тысячелетию: тезисы докладов Международной научно-технической конференции, часть 1. Наб.Челны: Изд-во КамПИ, 1996, с. 287.

3. Воронин E.H. Методика практического получения чугунов высокого качества из отходов литейного производства. Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: межвузовский сборник научных трудов /под ред. проф. В .Г.ШиОЗКОВа / Набережные Челны: Камский политехнический институт, 1997 147 с.

4. Воронин Е.М.. К'окиня т. м. . Vaöep в.в. 05 сспсппых на правлениях в области отходов цветного, чугунного и стального литья. Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: межвузовский сборник научных тру-

лов /под ред. проф. В.Г.Шибакова/ Набережные Челны: Камский политехнический институт, 1397 147 с.

5. Сафронов H.H., Воронин Решение проблем экологии Камского региона путем создания безотходных технологий в литейном производстве. Молодая наука - новому тысячелетию: Тез. докл. Международной научно-технической конференции, часть 2. Наб.Челны: Изд-во КамПИ, 1996, с. 100-101.

6. Корниенко Э.Н., Колесников М.С., Сафронов H.H., Воронин Е.М. Получение черных металлов из дисперсных отходов машиностроительного комплекса. Литейное пр-во. - 1998. - №9. - С. 5-6.

■j

Отпечатано стогового оригинал-макета. Формат 60*84 1/16. Объем I и. л. Печать офсетная. Бумага ксероксная. Тираж 100. Заказ 3230.

КП «Набережночелнииская типография». Республика Татарстан, I-. Набережные Челны, пос. ЗЯБ, ул. Первомайская, 6.

/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

На правах рукописи

ВОРОНИН Евгений Михайлович

УДК. 621.746:620.192.47

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ ИЗ ДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель,

д.т.н., профессор М.С.Колесников Научный консультант

к.т.н., доцент H.H. Сафронов

МОСКВА - 1998

ВВЕДЕНИЕ

Одной из задач непрерывного развития научно-технического прогресса с целью наиболее эффективного экономического и социального развития России на ближайшие годы в области литейного производства является создание как можно большего числа технологий, позволяющих при экономном расходовании ценных производственных ресурсов получать высококачественные синтезированные литейные сплавы из промышленных отходов.

Руководствуясь тенденцией поворота многих Российских предприятий в сторону повышения качества выпускаемой продукции и ее конкурентоспособности на мировом рынке, в литейном производстве намечено дальнейшее техническое перевооружение многих литейных цехов на предприятиях машиностроения на базе внедрения высокопроизводительных электро-дуговых печей постоянного тока, которые, являясь более экологичными по сравнению с электро-дуговыми печами переменного тока, позволяют производить электрошлаковый переплав практически всех металлсодержащих отходов, образующихся в процессе производства.

В данной работе немаловажное внимание уделяется техническому перевооружению в области литейного производства, достижение которого немыслимо без внедрения прогрессивных ресурсосберегающих технологий и высокопроизводительного оборудования .

В настоящее время вторичная переработка отходов производства стала одной из главнейших проблем на многих предприятиях России. Создание технологии получения из металлсодержащих отходов, вывозимых за территорию заводов на свалки, качественных литейных сплавов позволит решить также и экологическую проблему загрязнения окружающей среды.

Таким образом, намеченное направление в области переработки всех возможных металлсодержащих отходов с помощью тех-

нологии, предусматривающей использование электрошлакового переплава в дуговых печах постоянного тока требует переоборудования литейных цехов на различных производственных предприятиях с целью замены источника тока в уже действующих дуговых печах переменного тока. Несмотря на определенные затраты по переоборудованию уже работающих печей, целесообразность данных мероприятий определяется следующими факторами:

- уменьшение в 8-10 раз пылегазовых выбросов из печей. Это, во-первых, является благоприятным с точки зрения экологии, а во-вторых, практически снимает проблему, связанную с образованием большого количества пылевидных окисленных отходов, таких как бегхаузная пыль, которое неизбежно при выплавке стали и чугуна в промышленных электро-дуговых печах переменного тока;

- уменьшение до санитарных норм шума, генерируемого печами;

- уменьшение расхода графитовых электродов до 1,5 кг на тонну годного;

- снижение расхода электроэнергии;

- снижение угара металла, а также легирующих элементов за счет:

а) ведения переплава под слоем шлаковой соляной токопро-водной ванны;

б) использования постоянного тока, также являющегося восстановителем элементов из окислов.

Отмечается также наличие ряда дополнительных преимуществ дуговой печи постоянного тока перед дуговой печью переменного тока. На базе нагрева дугой постоянного тока можно развивать :

1) универсальные плавильные печи для плавки стали, чугуна, специальных сплавов, сплавов на основе меди и алюминия;

2) плавильные печи для ускоренного переплава, печи для выплавки металлов с полным технологическим циклом, печи миксеры для стали, чугуна, различных сплавов;

3) экологически чистые и энергоресурсосберегающие технологии, адаптированные к климату России.

Опираясь на эти исследования, в настоящей работе был изучен вопрос создания безотходных технологий переработки мелкодисперсных оксидосодержащих отходов с целью проектирования различных литейных сплавов с заранее прогнозируемым химическим составом и структурой и проведены исследования характера влияния параметров технологического процесса на качество получаемого сплава.

В результате было выявлено, что из отходов машиностроительного комплекса АО "КамАЗ", таких как: бегхаузная пыль (мелкодисперсная пыль, отходящая от электродуговых печей переменного тока); порошкообразные отходы железа, представляющие собой бой стальной дроби, применяемой при очистке деталей в дробеструйных барабанах; кузнечная окалина; железосодержащие отходы в виде мелкодисперсной стружки, образующиеся в цехах механической обработки; отходы, образующиеся при электро-эррозионной и электрохимической обработке, шлаки с содержанием алюминия до 60%, образующиеся при выплавке алюминиевых сплавов в газовых печах и др. возможно получение синтезированных черных и цветных металлов с учетом сбережения ценных легирующих и модифицирующих элементов, находящихся в отходах в окисленном состоянии.

Предложенная технология включает следующие этапы:

1. Приготовление дисперсной смеси из окисленных мелкодисперсных отходов производства;

2. Окускование мелкодисперсной окисленной смеси с целью

придания ей формы гранул и последующая их сушка при температуре 100-120°С;

3. Металлизация высушенных гранул с использованием карбюризатора или восстановительных газов при температуре 9501000 °С;

4. Электрошлаковый переплав металлизованных гранул в электродуговой печи постоянного тока под слоем флюса.

Синтезирование литейных сплавов начинается на стадии приготовления дисперсной смеси из окисленных дисперсных отходов производства при качественной и количественной оценке всех полезных и вредных для проектируемого сплава элементов, находящихся в окисленном состоянии, и продолжается на последующих стадиях. Одной из важных стадий разработанной технологии является металлизационная, в результате которой происходит переход железа и других элементов, находящихся в отходах, из окисленного в безокисленное состояние. Окончательное синтезирование литейного сплава производится" путем электрошлаковой плавки металлизированного продукта, в процессе которой возможна дополнительная металлизация трудновосстанавливаемых оксидов за счет ведения плавки при постоянном токе.

Существует возможность совместить стадию металлизации и переплава в один процесс прямого синтезирования литейных сплавов, который бы позволил не только утилизировать отходы производства, но и получать качественный металл из железорудного концентрата, минуя технологические - процессы большой металлургии.

В работе использованы методики исследования■ и работы российских и зарубежных исследователей в области литейного производства и переработки различного вида мелкодисперсных отходов, содержащих элементы в окисленном состоянии.

ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Ориентация к проблеме исследования

Огромные сырьевые, экономические и интеллектуальные ресурсы России на рубеже нового тысячелетия предполагают условия для их исторического будущего. Однако, их применение на современном этапе выдвигает на первый план решение задач по созданию новых ресурсосберегающих технологий.

Наряду с направлениями научных исследований, связанными с совершенствованием качества литья, широко развиваются исследования в области создания безотходных технологий, которые включают переработку отходов литейного производства. Последнее направление является немаловажным. Так, согласно производственных данных АО КамАЗ заложенные в отечественное производство технологии изготовления отливок из цветных металлов имеют отход в количестве от 20 до 50% от общих металлозатрат, что заставляет решать проблему утилизации отходов в двух плоскостях: с одной стороны снижать процент отходов цветного литья путем создания и внедрения современных технологий, а с другой - идти по пути создания технологий переработки этих отходов.

Аналогично для чугунного и стального литья, объемы производства которого во многом превышают цветное, также встает проблема утилизации отходов. Массовое производство отливок в течение многих лет приводит к масштабному загрязнению окружающей среды в виде многотонных выбросов мелкодисперсной ме-таллосодержащей пыли, отходящей во время плавки. Так, по данным работ [1,2] 70% общего количества вредных выбросов литейных цехов составляют плавильные агрегаты. При этом основную долю выбросов (7 0-8 0%) составляют высокодисперсная пыль с размерами частиц 5 мкм. По данным зарубежных источников [3]

количество пылевых выбросов,приходящихся на одну тонну выплавляемого чугуна зарубежом, составляет 2 0 кГ.

С целью уменьшения загрязнения окружающей среды вредными выбросам в литейном производстве машиностроительного комплекса АО "КамАЗ" также появилась проблема утилизации отходов этого производства. Так как современное литейное производство содержит в своей основе плавильные агрегаты, то проблема утилизации их отходов в настоящий момент весьма актуальна .

До настоящего времени для перерработки бегхаузной пыли и других отходов литейного производства на АО КамАЗ предлагались различные технологии переработки мелкодисперсных отходов, которые не смогли получить внедрения в производство из-за низкой эффективности. . Это технология производства шлакоблоков, изготовление лакокрасочных материалов и др. малоэффективные технологии.

Некоторые авторы [4] производства, гарантирующих экономический эффект, заключающийся в регенерация отработанных формовочных смесей или изготовлении из отходов шлакоблоков, строительной керамики или асфальтобетона. Однако, предлагаемые технологии гарантируют экономический эффект для крупнодисперсных обедненных полезными примесями смесей или совершенно их не содержащих, таких как формовочные смеси и др.

В некоторых работах [5] предлагается система внедрения литейных технологий, предотвращающих загрязнение окружающей среды, основные этапы которых заключаются в подготовке шихты, плавке металла в электропечах постоянного тока и внедрении систем газоотсоса и пылеочистки с окомкованием уловленной сталеплавильной пыли. Существует также ряд работ [6,7,8], предлагающих прогрессивные методы окомкования дисперсных составляющих. Однако, технологий получения различных синтезированных литейных материалов из дисперсных металлсодержащих

отходов машиностроительного комплекса с заведомо проектируемыми составом и свойствами путем прямого восстановления ценных железосодержащих примесей не существовало. Это не только не позволяет внедрить технологический процесс плавки, включающий систему газоотсоса и пылеочистки в имеющееся современное литейное производство, но и препядствует проектированию новейшего оборудования XXI века, включающее в себя плавильные агрегаты с улавливанием и одновременной утилизацией отходящих от них мелкодисперсных отходов.

На АО КамАЗ, например, до настоящего времени продолжается вывоз на свалки таких вредных металлсодержащих отходов, как:

- пыль, улавливаемая от электро-дуговых печей переменного тока в крупногабаритных пылесборниках - бегхаузах (бегхаузная пыль);

порошкообразные стальные отходы, образующиеся при бое стальной дроби, использующейся для очистки отливок в дробе-метных барабанах (бой стальной дроби);

- кузнечная окалина, в избытке образующаяся в кузнечном производстве;

- пылевидные отходы, образующиеся при дроблении' различных лигатур на мелкие фракции и другие.

Создание технологии утилизации бегхаузной пыли путем синтезированного восстановления содержащихся в ней окисленных элементов позволяет решить не только задачу для получения синтезированных литейных проектируемых материалов, но и поможет предопределить путь разработок месторождений, содержащий цееные железосодержащие элементы в окисленном состоянии.

Несомненно, бегхаузную пыль и другие мелкодисперсные отходы производственной деятельности достаточно сложно утилизировать, пытаясь это сделать с каждым отходом отдельно от всего объема вредных выбросов на промышленных предприятиях,

хотя это и не исключено при достаточной универсальности технологии утилизации. Кроме того, вышеперечисленные отходы являются тонкодисперсным материалом со средним размером частиц 5,0 мкм, что также создает дополнительные трудности при их утилизации.

Проблеме утилизации отходов литейного производства посвящено большое количество работ [4, 9-17].

По вопросу получения литых материалов с заведомо проектируемыми составом и свойствами известны такие работы, как [15,17,18], в которых исследовались качество, состав и различные свойства получаемых сплавов. Так, в работе [15], разработана концепция и решена проблема вовлечения в сталеплавильное производство технологических отходов при выплавке стальных сплавов. Выплавка стали производилась в кислородных конвертерах и мартеновских печах при внепечной обработке и при заливке кипящей стали. При этом использовались отходы, содержащие легирующие элементы, в основном шлаки от производства ферросплавов, алюмокремнистый шлак, мартеновские и другие шлаки.

В работе [17] разработана технология извлечения из железосодержащих отходов, т.е. пыли и шлама доменного и сталеплавильного производства, таких цветных металлов как цинк и свинец. Эти технологии представляют собой интенсифицированное хлоридновозгоночное производство с применением электрохимических методов. В работе приведен разработанный процесс интенсификации окислительно-хлорирующего обжига соединений цинка и высокотемпературной переработки хлоридных возгонов.

Известны так же работы по утилизации стружки методом электрошлакового переплава [9,10,16], в которых приведены исследования влияния состава шлакообразующих смесей на литейные свойства чугуна, выплавленного из стружки, а так же приведены методы электрошлакового переплава стружечных отходов инстру-

ментальных сталей с помощью новой конструкции расходуемого электрода [13].

Однако, комплексной технологии переработки высокодисперсных отходов производства путем синтеза из них новых материалов не существует.

1.2. Экологические аспекты применения технологий прямой переработки вторичных ресурсов

Известоно, что первичным источником всех ресурсов является природная среда как широкая совокупность природных благ, находящиеся в контакте с человеком и объектами его жизнедеятельности. Природная среда в совокупности с социальной составляет окружающую среду, загрязнение которой ведет к снижению качества ресурсов, вовлекаемых в производство.

Использование природных ресурсов в производстве приводит к снижению их качества и уменьшению его количества, что в конечном итоге ведет к ограниченности природных ресурсов, их исчерпаемости и длительному циклу восстановления. Это происходит в результате постоянного загрязнения окружающей среды различными выбросами - продуктами производственной и хозяйственной деятельности труда. Несомненно также, что бесконечное расходование природных ресурсов без поиска путей использования полезных элементов, находящихся во вторичном сырье - отходах производства также приводит к уменьшению количества ресурсов из-за их исчерпаемости, что вынуждает вовлекать в производство ресурсы худшего качества.

Среди серьезных экологических проблем наибольшую опасность представляют загрязнения промышленными выбросами литейных заводов. Основными участками вредных технологических выделений литейного производста являются плавильные, заливочные

стержневые и формовочные участки, эксплуатация которых наносят непоправимый вред окружающей среде.

По данным работы [19] биомониторинг отвалов литейного производства, т.е. данные оценки восстанавливаемости флоры природных почв после загрязнения их отходами показавают, что на загрязненных литейными отходами почвах растительность является здоровой и хорошо развитой только спустя 20 лет. При этом все исследуемые растения являются сорными, что еще раз доказывает, что отвалы литейных цехов являются фактором, нарушающим естественный ландшафт.

Приведенный выше обзор свидетельствует о том, что вывоз пылевидных отходов на свалки или неэффективная их переработка в первую очередь отражаются на экологии окружающей среды и рентабельности литейных заводов на промышленных предприятиях. Если учитывать, что сегодня в литейном производстве уделяется особое в�