ПАО "Каховский завод электросварочного оборудования"
рус eng
 


И. П. Лентюгов. инж., И. А. Рябцев, О. Г. Кузьменко, кандидаты техн. наук, Ю. М. Кусков, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)

Рассмотрены способы подготовки металлосодержащих шлифовальных отходов к переделу и технологии переработки металлоабразивных отходов. Представлен зарубежный и отечественный опыт применения и переработки таких отходов.

Ключевые слова: металлоабразивные шлифовальные отходы, переработка отходов, электрошлаковый переплав, наплавочные материалы, порошковые проволоки.

В современных наплавочных материалах различного назначения широко используются такие дорогостоящие легирующие элементы, как вольфрам, ванадий, хром, молибден и др. [1]. При этом их цена, а соответственно и цена наплавочных материалов, непрерывно возрастает. Одним из путей снижения стоимости последних является использование при изготовлении отходов различных отраслей производства, в частности, металлоабразивных шлифовальных отходов (шламов). Данные, приведенные в работе [2], свидетельствуют о том, что на промышленных предприятиях Украины, особенно на металлургических, в течение одного года скопилось значительное количество таких отходов (табл. 1).

Металлосодержащие шлифовальные отходы состоят из смеси мелкодисперсной металлической микростружки с абразивным порошком (продуктами разрушения шлифовальных кругов) и остатками смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) [2, 3].

Были предприняты попытки непосредственного использования металлоабразивных отходов в сварочных и наплавочных материалах [4-6]. В работе [4] описан опыт применения пылевидных отходов абразивной зачистки металлопроката из низко- и среднеуглеродистых сталей в производстве электродов для сварки чугуна, которые изготовляли по традиционной технологии – отходы добавляли в обмазку электродов. Состав металла, наплавленного такими электродами, соответствовал низкоуглеродистой нелегированной стали (C ≤ 0,07%), что значительно ограничивало его применение в промышленности.

Таблица 1. Металлоабразивные отходы ряда металлургических предприятий Украины |2|*
Предприятие Группа обрабатываемой стали Способ сбора отходов Масса металлоабразивных отходов в год, т
«Днепроспецсталь», г. Запорожье Инструментальная, быстрорежущая, коррозионностойкая, подшипниковая Бункер-накопитель >3000
«Запорожсталь», г. Запорожье Углеродистая, конструкционная, легированная, коррозионностойкая » 200
Енакиевский метзавод Инструментальная, быстрорежущая, коррозионностойкая, подшипниковая » >1000
Алчевский металлургический комбинат Конструкционная среднелегированная Контейнер ∼100
«Криворожстапь», г. Кривой Рог Конструкционная углеродистая Бункер-накопитель  
* В работе [2] приведены данные, полученные на начало 1990-х годов. Поскольку в настоящее время объемы производства металла в металлургической промышленности Украины аналогичны, то масса собираемых металлоабразивных отходов также приближает­ся к указанной в табл. 1.

Проводили эксперименты по использованию отходов обработки слитков легированных сталей и сплавов в шихте порошковых проволок [5]. Из отходов было изготовлено несколько опытных порошковых проволок. С использованием одной из них, а именно, обеспечивающей получение наплавленного металла, близкого по составу к инструментальной стали, наплавлены прокатные валки показавшие при эксплуатации удовлетворительные результаты.

Исследована возможность применения отходов, полученных при зачистке на обдирочно-шлифовальных станках слитков из сплавов ЭП109, ЭП199, ЭПЗЗ, для плазменной наплавки деталей арматуры прокатных станов, а также роликов рольгангов, транспортирующих нагретые заготовки, т. е. для деталей, подверженных изнашиванию трением без смазки при повышенных температурах [6]. Перед наплавкой отходы просеивали по фракциям и прокаливали в электропечах при 200...250 °С. Для наплавки использовали порошок фракции 125...315 мкм. Эксперименты показали, что наличие в порошке 3...4 мас. % оксидов ухудшает формирование наплавленного металла.

Все эти работы имели экспериментальный характер и не нашли широкого промышленного применения, поскольку выбор отходов носил случайный характер. Эксперименты показали, что использовать металлоабразивные отходы в производстве наплавочных материалов без предварительной подготовки и подбора химического состава металлической составляющей отходов нельзя.

Для того чтобы металлоабразивные отходы могли использоваться для производства наплавочных материалов, сами отходы и технология их переработки должны соответствовать следующим требованиям:

относительное постоянство химического состава металлической составляющей;

наличие дорогостоящих легирующих элементов (вольфрама, молибдена, хрома, ванадия и др.) в металлической составляющей отходов;

технологичность и экономичность подготовки металлосодержащих отходов к переработке;

технологичность и экономичность переработки отходов в лигатуры и тому подобные шихтовые материалы, легко подвергающиеся размолу и пригодные для производства наплавочных материалов (порошковых проволок, лент, порошков и пр.).

Для производства наплавочных материалов необходимы отходы, которые получают при скоростном шлифовании слитков высоколегированных сталей и сплавов или в процессе абразивной обработки металлорежущего инструмента, поскольку именно в них содержатся такие дорогостоящие легирующие металлы, как вольфрам, ванадий, хром, молибден и др.

Согласно ГОСТ 1639-93 «Лом и отходы цветных металлов и сплавов», пылевидные отходы от заточки твердосплавного инструмента и быстрорежущих инструментальных сталей должны собираться в отдельные емкости, что облегчает их утилизацию и позволяет получать из них лигатуры и порошки практически постоянного химического состава.

 

Подготовка металлосодержащих шлифовальных отходов к переработке

 

 Опыт показал, что металлоабразивные шлифовальные отходы могут содержать до 50 % абразивной составляющей и СОЖ [7]. По этой причине большинство существующих методов утилизации таких отходов предусматривают их предварительную подготовку к переработке для удаления СОЖ и магнитную сепарацию с целью уменьшения содержания неметаллической составляющей. Способы удаления остатков СОЖ предусматривают широко применяемое прокаливание металлоабразивных отходов при температуре 200. ..400 °С [8-10]. Предлагается также использовать для этой цели высокооборотную центробежную мешалку [11] или обезжиривание отходов тетрахлорэтиленом и просушивание их при 80... 120 °С [12].

В процессе прокаливания отходы могут превращаться в колики, которые необходимо измельчать, после чего выполняется магнитная сепарация отходов на сепараторе периодического действия [8, 10-12] для получения концентрата, содержащего 95...98 % металлической и 2...5 % минеральной составляющих (рис. 1) [13]. Такое содержание в отходах абразивной составляющей после магнитной сепарации объясняется тем, что абразивные зерна и металлическая стружка в процессе прокаливания достаточно прочно соединяются (схватываются) друг с другом, кроме того, спиральки металлической стружки могут механическим образом удерживать абразивные зерна.

Для более эффективной очистки металлоабразивных отходов магнитная сепарация дополняется химико-металлургическими способами регенерации. Однако в связи с введением таких технологических операций происходит существенное удорожание конечного продукта. Так, например, в патенте США [12] после магнитной сепарации предлагается окислять отходы при температуре 850... 1000 °С в течение 2 ч, после чего окисленный продукт восстанавливают в водороде при 1050...1200 °С.

Довольно сложная технология утилизации металлоабразивных отходов предлагается и в австрийском патенте [9]. После прокаливания для удаления СОЖ к отходам добавляли 10...20 % СаСО3, эту смесь нагревали до 1100°С, выдерживали при указанной температуре 2 ч, а затем охлаждали в воде. Полученный продукт обрабатывали в 10%-м раствором MoCO3 при температуре 90 °С. По утверждению автора этого патента, в процессе выщелачивания из отходов извлекается до 100 мас. % V, около 90 мае. % Мо и 95 мас. % V. Последующая обработка остатка 15%-м раствором соляной кислоты позволяет извлекать около 93 мас. % Ni и 90 мас. % Со.

внешний вид абразивных отходов
Рис. 1. Внешний вид металлоабразивных отходов до магнитной сепарации (я) и после нее (б)

Из всех рассмотренных способов подготовки металлосодержащих шламов к переработке наиболее простым для реализации являются прокаливание при 200...400 °С для удаления СОЖ, а при значительном содержании в них абразивных остатков — магнитная сепарация.

 

Переработка металлоабразивных отходов

 

Переплав в дуговых печах. На электрометаллургическом заводе «Электросталь» (г. Электросталь, РФ) разработана и внедрена технология утилизации отходов шлифования прецизионных сплавов без магнитной сепарации путем их переплава на паспортную заготовку в пятитонных электро-дуговых печах [14]. Эти отходы образуются в процессе абразивной зачистки непрерывно-литых заготовок из сплавов 50Н, 29НК. 47НД и представляют собой механическую смесь окисленной металлической стружки длиной 0,5...5,0 мм и продуктов износа абразивного инструмента.

Завалку составляют из стружки, полученной в результате токарной обработки слитков, а также отходов кусковых и шлифования. Количество последних составляло 30...50 % общей массы переплавляемых материалов.

Разработанная технология обеспечивает усвоение (в среднем) до 90 мас. % Со и 93 мас. % №, содержащихся в металлической составляющей металлоабразивных отходов и 75...80 мас. % Ре. Полученные шихтовые слитки использовали при выплавке марочного металла соответствующих прецизионных сплавов в дуговых или индукционных печах. Доля этих слитков составляла до 25 % массы металлической шихты.

На металлургическом комбинате «Запорожсталь» (Украина) в технологии производства полос и листов из коррозионностойкой нержавеющей стали предусмотрена зачистка их поверхности, в результате чего образуется мелкодисперсный шлам, содержащий такие ценные компоненты, как никель (6...7 мас. %), хром (до 13 мас. %) и железо (до 54 мас. %) [15].

Выплавку паспортных слитков вели в семитонной электродуговой печи с добавками в исходную шихту до 1,7 т шлифовального шлама. Присадка отходов шлифования повысила содержание в готовом металле хрома на 0,83.. .0,96 мас. % и никеля на 1,48...0,68 мас. %. При этом для удаления СОЖ шлам рекомендуется предварительно отжигать в нагревательных устройствах.

Электрошлаковый переплав (ЭШП). Большие перспективы для переработки указанных выше отходов открывают электрошлаковые технологии [16]. При этом ЭШП можно осуществлять с использованием расходуемых и нерасходуемых электродов, которые применяются редко. Так, в патенте [17] описан способ извлечения металлических компонентов из шлифововальной пыли путем изготовления из нее способом спекания расходуемых электродов с последующим их ЭШП. Более рациональным является ЭШП металлоабразивных отходов с использованием нерасходуемых электродов. При этом исключается трудоемкая операция изготовления расходуемых электродов из отходов и обеспечивается непрерывность процесса плавки.

На Оскольском заводе металлургического машиностроения (РФ) разработана технология переработки отходов абразивного шлифования быстрорежущих вольфрамсодержащих сталей, которая включает сушку, магнитную сепарацию и ЭШП полученного полупродукта с использованием нерасходуемого графитового электрода. Переплав производят в глуходонный кристаллизатор или короткий кристаллизатор с вытяжкой слитка [18]. При ЭШП происходит эффективная десульфурация, в результате которой содержание серы снижается с 0,023 до 0,010.. .0,008 мас. %. Угар таких элементов, как молибден, хром, вольфрам, практически отсутствует. Выход годных слитков составляет около 85 %.

При изготовлении магнитов из сплава ЮНДК (на основе Fe-Al-Ni-Cu-Co по ГОСТ 17809-79) [19] также образуется значительное количество отходов шлифования. Были проведены лабораторные и промышленные эксперименты по переплаву металлоабразивных отходов этого сплава в элек-тродуговых и электрошлаковых тигельных печах. В ходе экспериментов установлено, что электрошлаковый способ переплава значительно повышает коэффициент извлечения металла из отходов. Подтверждена также возможность совмещения процессов переплава отходов в электрошла-ковой печи и их рафинирования [19].

При использовании электрошлакового тигельного переплава мелкие отходы засыпают в слой жидкого флюса, где они и расплавляются. Полученный продукт по содержанию примесей соответствует строгим требованиям высококачественного сплава ЮНДК или Алнико. Безвозвратные потери металла в этом процессе сравнительно небольшие и значительно ниже, чем при выплавке в дуговой печи [16, 19].

С целью снижения себестоимости легированных сталей и сплавов при изготовлении из них металлопродукции требуемого качества разработана технология получения способом ЭШП слитков заданного состава из фрагментированной шихты (стружка, металлоабразивные отходы и др.). В зависимости от требований, предъявляемых к слитку, при ЭШП осуществляют хлорокислородное окислительное рафинирование металла, деазотацию и десульфурацию, извлечение металлической составляющей из пылевидных ме-таллоабразивов, раскисление и легирование металлической ванны прямым вводом раскислителей и легирующих элементов через шлак [20]. Процесс происходит в непрерывном режиме с периодической выгрузкой слитков на промышленной установке [21]. Разработанная технология позволяет получить качественные слитки легированных сталей из фрагментированной шихты.

В ИЭС им. Е. О. Патона [22] проведены исследования по ЭШП шламов, получаемых при анодно-механической резке заготовок из сплава ЭИ437БУ и электроконтакгной зачистке заготовок из сплава ЖС6КП. Опытные плавки выполняли на установке А-550 в водоохлаждаемом кристаллизаторе диаметром ] 60 мм. Загрузку шлама в кристаллизатор осуществляли порциями.

Учитывая, что данные шламы имеют достаточно высокое содержание Al2O3, в качестве шлака для электрошлакового переплава выбрали плавиковый шпат CaF2 – основной компонент большинства шлаков, применяемых в электрошлаковых технологиях. Переход А1..0, из шлама в шлак в процессе плавки обеспечивал получение шлака по химическому составу, соответствующему флюсу АНФ-6, что позволило увеличить количество переплавляемого шлама без частичного обновления или полной замены используемого шлака.

Получаемый полупродукт можно использовать при выплавке легированных сталей. Для переплава шлама могут применяться металлические водоохлаждаемые электроды с вольфрамовым или молибденовым наконечником, использование которых для ЭШП дало хорошие результаты [22].

Таким образом, рассмотренные технологии электродугового переплава и ЭШП металлоабразивных отходов позволяют получать либо паспортные слитки, которые могут использоваться при последующей выплавке высоколегированных сталей, либо непосредственно слитки соответствующих марок высоколегированных сталей. Однако эти технологии не применялись для получения лигатур и других шихтовых материалов, пригодных для производства порошковых наплавочных проволок. Как указывалось выше, такие материалы должны относительно легко размалываться в порошки.

С целью получения из металлоабразивных отходов высоколегированных лигатур, отвечающих сформулированным выше требованиям, в ИЭС им. Е. О. Патона предложена технология переработки отходов шлифования инструментов из быстрорежущей стали [23]. Учитывая тот факт, что в настоящее время номенклатура применяемых марок быстрорежущих сталей относительно невелика и зачастую ограничивается сталью Р6М5, получение шихты примерно одного и того же химического состава не представляет больших сложностей.

Первоначально разработана технология переработки отходов, включающая операции прокалки, магнитной сепарации для очистки от компонентов абразивных кругов, ЭШП с использованием нерасходуемого графитового электрода, размола и рассева шихты на требуемые фракции. При проведении экспериментов установлено, что для обеспечения устойчивости процесса ЭШП и максимального выхода качественной лигатуры удельная мощность должна быть не менее 100 Вт/см2. При этом скорость подачи шлама должна составлять 2...3 кг/мин.

В состав получаемой лигатуры входит достаточное количество таких дорогостоящих легирующих элементов, как вольфрам, молибден, ванадий, она также содержит более 3 мае. % С и поэтому легко размалывается (табл. 2) (рис. 2).

Химический анализ лигатуры, полученной из отходов, которые не проходили предварительную подготовку (опыт № 1, табл. 2), показал, что она, как правило, содержит более 12 мае. % Si, что не всегда допустимо. Такое высокое содержание кремния в лигатуре объясняется тем, что в отходы попадает карбид кремния из абразивных кругов. Предварительная магнитная сепарация отходов позволяет существенно понизить содержание кремния в лигатуре (опыт № 2, табл. 2). Однако это достаточно дорогостоящая операция, требующая применения специального оборудования.

Таблица 2. Результаты химического анализа состава (мас. %)* отходов до и после специальной подготовки, также получаемых из них лигатур
№ опыта Материал, способ его подготовки и лигатура C Si Al Cr W V Мо Со
1 Отходы 1,8 16,0 15,0 1,2 5,0 0,9 0,9 0,4
Лигатура 3,7 12,5 0,2 3,5 5,2 0,8 1,4 0,5
2 Отходы 1,8 16,0 15,0 1,2 5,0 0,9 0,9 0,4
Отходы после магнитной сепарации 1,7 5,0 4,0 3,6 9,5 1,3 1,4 0,6
Лигатура 4,1 1,1 0,6 3,9 11,4 0,7 2,3 0,3
3 Отходы 1,8 16,0 15,0 1,2 5,0 0,9 0,9 0,4
Отходы после окисления 2,2 5,8 3,9 2,4 4,4 0,8 0,8 0,3
Лигатура 4,5 1,3 0,3 1,3 10,7 0,4 2,3 0,2
* Остальное железо.

Известно, что карбид кремния может восстанавливать оксиды большинства других металлов, в результате чего образуется диоксид кремния, который при ЭШП легко удаляется в шлак. Были проведены эксперименты по замене магнитной сепарации предварительным высокотемпературным окислением металлоабразивных отходов при температуре 900 °С, в результате чего масса шлама несколько увеличилась. При проведении экспериментов по ЭШП окисленных отходов в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе установлена зависимость между степенью К окисленности материала (отношение массы окисленного шлама к массе исходного) и содержанием кремния в выплавляемой лигатуре. Так, при К = 1,0... 1,05 содержание кремния в лигатуре остается достаточно высоким – 9... 12 мас. %, при К = 1,1... 1,2 оно снижается до 4,8...6,9 %, а при К = 1,3... 1,5 – до 1,3 мае. % (опыт № 3, табл. 2). Таким образом, изменяя степень окисленности шихты, можно управлять содержанием кремния в лигатуре. При этом содержание других легирующих элементов в лигатурах, выплавленных предварительно окисленной шихты, находится в тех же пределах, что и в лигатуре, полученной из отходов, прошедших магнитную сепарацию.

вид лигатуры
Рис. 2. Вид лигатуры, полученной из металлоабразивных отходов шлифования быстрорежущей стали, до измельчения (а) и после него (б)

С использованием этой лигатуры изготовлены опытные партии порошковых проволок ЦП-АН132 и ПН-АН 147, обеспечивающих получение наплавленного металла типа инструментальных сталей [24]. Порошковые проволоки этого типа широко применяются для наплавки прокатных валков, штампов и штамповой оснастки различного типа [1]. Кроме лигатуры, в шихту порошковых проволок дополнительно вводили ферросплавы с целью получения наплавленного металла, соответствующего по составу маркам указанных проволок. Исследования металла, наплавленного опытными порошковыми проволоками, показало, что по твердости и другим механическим свойствам он соответствует металлу, наплавленному стандартными порошковыми проволоками ПИАН 132 и ПП-АН147. Эти эксперименты подтвердили эффективность разработанной в ИЭС им. Е. О. Патона технологии переработки металлоабразивных отходов быстрорежущей стали, включающей высокотемпературное окисление и ЭШП с использованием нерасходуемого водоохлаждаемого электрода, и перспективность применения получаемой лигатуры для производства высоколегированных наплавочных материалов.

 

Выводы

1. Металлоабразивные отходы шлифования высоколегированных сталей, собираемые на металлургических и машиностроительных предприятиях, могут служить сырьем для производства лигатур для наплавочных материалов. Для того чтобы такие отходы могли использоваться для производства наплавочных материалов, они и технология их переработки должны отвечать ряду требований.

2. В ИЭС им. Е. О. Патона разработана технология переработки металлоабразивных отходов быстрорежущей стали, включающая высокотемпературное окисление и ЭШП с использованием нерасходуемого водоохлаждаемого электрода. Экспериментальным путем подтверждена перспективность применения получаемой лигатуры для производства высоколегированных наплавочных материалов.

Источник: журнал Автоматическая Сварка 29.11. 2007     

gotop.png, 702B
gotop.png, 702B

Назад в библиотеку сайта
 
 
Знаки качества
КЗЭСО © 2017 Все права защищены