Content uploaded by Galchuk T.N.
Author content
All content in this area was uploaded by Galchuk T.N. on Apr 19, 2019
Content may be subject to copyright.
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЫРЬЯ И ПЕРЕРАБОТКА
ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
Гальчук Т.Н., доцент, к.т.н.,
Божко Т.Е., доцент, к.т.н.
Украина, Луцк, Луцкий национальный технический университет,
Кафедра прикладной механики
Аннотация. В статье показана целесообразность использования технологии
переработки отходов машиностроительного производства в металлические порошки.
Полученный порошковый материала может применяться для изготовления изделий
методами порошковой металлургии. Даны рекомендации по срокам хранения исходного
сырья для последующей его переработки, приведены результаты по исследованию свойств
полученного порошкового материала из отходов металлообработки резанием.
Представлены технологические режимы и аппаратная реализация процесса переработки
шламовых отходов.
Ключевые слова: Шлам, металлический порошок, отходы, свойства, технология.
Введение. Развитие экономического и технологического потенциала страны связано с
накоплением промышленных отходов. Так, в Украине, в результате образования большого
количества отходов, эта проблема является особенно острой. В настоящее время
промышленные отходы в Украине размещаются в отвалы, терриконы, шламосвалки и другие
накопители, из которых проникают в почву, загрязняя воздух и подземные воды. Основные
источники образования металлических отходов в Украине – предприятия металлургического
и машиностроительного комплексов, занимающих значительное место в структуре
национальной экономики. Так, во время плавки одной тонны стали образуется 650 ... 700 кг
твердых отходов-шлаков, шламов, которые используются для производства строительных
материалов [1]. Также большой объем отходов образуется на предприятиях
металлообрабатывающей промышленности. В частности, во время обработки на
современных станках образуется до 100 кг стружки и шлифовальных шламов в час.
Шламовые отходы в большинстве случаев нигде не используются и загрязняют окружающую
среду, хотя являются источником вторичных ресурсов. Шлифовальные шламы содержат
65...70% металла в виде микрочастиц стружки. При этом коэффициент использования
металлических отходов является низким и в среднем составляет 20% [2]. Поэтому на
сегодняшний день требует решения проблема бережного использования металла и его
отходов. Рациональное использование отходов металла обеспечивает производство дешевым,
готовым сырьем и является важнейшей задачей государственного значения, которая приводит
к экономии материальных ресурсов, снижение степени загрязнения окружающей среды. В
связи с этим наряду с использованием существующих источников сырья и созданием
безотходного производства становится актуальным все более широкое внедрение
ресурсосберегающих технологий. Одной, из которых является использование порошковых
технологий, а именно получения порошков из стружки и шламов инструментальных,
легированных и конструкционных сталей. Такие порошки, дешевле, чем порошки,
изготовленные по традиционной технологии. Качество их, в большинстве случаев,
соответствует государственным стандартам. Использование отходов инструментальных,
высоколегированных и подшипниковых сталей в качестве сырья металлургического
производства нецелесообразно, поскольку это связано с дополнительными затратами и
уменьшением производительности перерабатывающего оборудования. Однако, они могут
применяться для изготовления деталей триботехнического и конструкционного назначения.
Цель. Целью работы является решение технологической задачи рационального
использования металлических отходов, которые образуются в машиностроительном
производстве для получения порошковых материалов.
Материалы и методы. В качестве исходного материала использовали шлифовальный
шлам стали ШХ15, образующийся после механической обработки колец и роликов
подшипников в условиях АО "СКФ - Украина". После обработки деталей из стали ШХ15 на
шлифовальных станках шлам подается в колодцы отстаивания, а оттуда через трубопроводы
в цех инженерных сетей и утилизации, где подвергается фильтрации, собирается в емкости и
для дальнейшего хранения вывозится на участок отстаивания. На участке отстаивания шлам
длительное время сохраняется в неудовлетворительных условиях, что способствует его
загрязнению и окислению, негативно влияет на свойства и делает нецелесообразной
дальнейшую его переработку. Поскольку большое влияние на свойства шлама имеет чистота
исходных материалов, то пробы шлама брали для исследования сразу после обезвоживания и
фильтрации. Шлифовальный шлам (рис. 1) по внешнему виду – порошкообразный продукт
характерного для окислов железа черного цвета, содержащий комки; содержание железа –
60... 85%; содержание двуокиси кремния – 25%; влажность – 10%; насыпная плотность –
0,32 ... 0,40 г / см3; пикнометрическим плотность – 5,29 г / см3.
Рис. 1. Шлам, полученный после шлифования стали ШХ15 х 480
Аппаратная реализация технологического процесса утилизации шлифовального
шлама представляет собой цепочку технологических операций по классической схеме
переработки и дополнительной обработки, в виде измельчения-обкатка с последующим
восстановительным отжигом, предложенной Луцким НТУ [3]. Обезвоживание шлама
проводили в центрифуге (емкость 60 литров, скорость вращения 1500 об / мин). После
обезвоживания шлам имеет достаточно сыпучую структуру и содержит влаги не более 3 ...
5%. Сушку шлама проводили при температурах от 400 до 600 0 С в течение 5 часов в печке
конструкции Института газа НАН Украины. Измельчали шлам в шаровой мельнице СМ-6008
в течение 20 ... 30 минут. Просеивали на грохоте типа Г-0,6. Для отделения абразивной
фракции от металлического порошка использовали магнитную сепарацию, с помощью
электромагнитного сепаратора ЭСШ-500 конструкции Ролтом. Просеивания осуществляли
в вибросите Ротаж модели 029 №124-85 с величиной ячеек до 160 мкм. Измельчение-обкатку
проводится в лабораторной шаровой мельнице специальной конструкции с внутренним
диаметром барабана 170 мм [4, 5]. Для снятия наклепа, возникающего во время измельчения-
обкатки, применяли восстановительный отжиг порошка. Который проводили в проходной
электропечи типа СУОЛ-044/12-М2-У42 в среде водорода в течение 1,5...2-х часов в
интервале температур 850 ... 900 0 С. Уплотнения порошка определяли при давлении
прессования 200 ... 800 МПа в цилиндрической пресс-форме. Плотность утруски определяли
на гидравлическом вибростоле [6]. Частота вибраций – 22,3 Гц, время уплотнения – 15 с.
Результаты. Эффективность восстановления порошка стали ШХ15 зависит от его
окисления, которое в свою очередь определяется, в основном, продолжительностью и
условиями хранения шлифовальных шламов. Поэтому первоочередной целью исследования
было определение времени хранения шлама на участке отстоя и его влияние на качество
изъятых порошков. Для этого брались различные пробы по времени хранения. Визуальный
анализ шлама показал, что его нужно как можно быстрее подвергать переработке, так как на
воздухе он очень быстро окисляется и в пробах находится большое количество ржавчины.
Это негативно влияет на свойства и делает нецелесообразной дальнейшую его переработку,
поэтому срок хранения шлама не должен превышать 14 дней. Также и гранулометрический
состав порошков, а, следовательно, форма и размеры частиц металлической фракции
меняются в зависимости от времени хранения. Для порошков после шлифовки количество
частиц крупной фракции (1,6 – 1,0 мм) уменьшается на 80 ... 85, а количество частиц мелкой
фракции (0,05 – 0,0 мм) увеличивается на 35 ... 40 %. Происходит это вследствие
выравнивания формы поверхности за счет более интенсивного процесса окисления
субмикронеровностей на поверхности частиц. В порошке преобладают частицы осколочной
формы, деформированные в разных направлениях, с сильно разветвленной поверхностью.
Такие частицы составляют около 70%. Примерно 25 ... 30% частиц порошка имеют тонкую
игловидную форму и деформированные в разных направлениях. Присутствуют также
частицы пластинчатой формы (рис. 2).
Рис. 2. Порошок стали ШХ15 полученный из шлифошлама х 280
Именно с выступлениями и неровностями на поверхности частиц, которые
увеличивают межчастичное трение, связаны низкие технологические свойства порошка
стали ШХ15, а именно текучесть – нулевая, насыпная плотность – 0,75 г / см 3. С целью
повышения насыпной плотности к порошку стали ШХ15 добавляли 10 ... 40% железного
порошка ПЖР-3М ГОСТ 9849-88. Достигли значения насыпной плотности – 1,22 г / см 3
только в случае увеличения содержания ПЖР-3М в шихте до 40%. Угол естественного
наклона колеблется в пределах 48 ... 530, например, для порошка ПЖР-3М он составляет 270.
Результаты химического анализа приведены в табл. 1. Содержание углерода и серы в
порошке значительно выше, чем у стали ШХ15. Это связано с наличием загрязнений в
порошке и остатков смазочно-охлаждающей жидкости.
Табл.1. Химический состав порошка стали ШХ15, %
Материал
Содержание элементов
Fe С S Si Mn Cr O
Порошок ШХ15 94,58 1,29 0,07 0,3 0,3 2,0 1,46
Сталь ШХ15
ГОСТ 801–78
94,51…
97,38
0,95…
1,05
до
0,02
0,17…
0,37
0,20…
0,40
1,30…
1,65 до 2
Технология улучшения свойств металлического порошка стали ШХ15, заключается в
дополнительной операции обкатки-измельчения (размольные тела – стальные шары 23 мм;
массовое соотношение порошка и шаров 1: 0,75; коэффициент заполнения барабана
мельницы – 0,5; частота вращения мельницы – 77,1 мин-1; время измельчения-обкатки – до 8
часов) с последующим отжигом для снятия наклепа частиц. Эти процессы уменьшают
количество и величину микронеровностей на поверхности частиц порошка стали ШХ15.
Форма частиц порошка – осколочная и близка к равновесной (рис. 3).
Рис. 3. Порошок стали ШХ15 полученный из шлифошлама после обкатки-измельчения х 280
Порошок по химическому составу в основном приближен к составу подшипниковой
стали (табл. 2).
Табл. 2. Химический состав порошка стали ШХ15 после восстановительного отжига, %
Материал
Содержание элементов
Fe С S Si Mn Cr O
Порошок ШХ15 96,19 0,5 0,015 0,3 0,3 1,2 1,5
Сталь ШХ15
ГОСТ 801–78
94,51…
97,38
0,95…
1,05
до
0,02
0,17…
0,37
0,20…
0,40
1,30…
1,65 до 2
Технологические свойства порошка стали ШХ15, в частности насыпная плотность –
1,9 г / см3, для ПЖР-3М составляет – 2,6 г / см3. Отличие насыпной плотности полученных
порошков стали ШХ15 после операций улучшения и ПЖР-3М является следствием более
сложной формы частиц порошка, полученного из шлама, чем порошка ПЖР-3М.
Наблюдалось и увеличение пикнометрической плотности в результате проведения операции
обкатки-измельчения порошка. Например, во время обкатки-измельчения она увеличивается
с 6,12 г / см 3 до 6,86 г / см 3. Отличие от плотности литого материала объясняется наличием
оксидов. Текучесть порошка остается очень низкой из-за содержания тонкодисперсной
фракции. Измеряя текучесть отдельных фракций, было установлено, что только для фракции
крупнее, чем 0,04 мм, является удовлетворительной. Текучесть порошка, определенная через
угол естественного уклона, является удовлетворительной и составляет 25 ... 300.
Порошок имеет широкий диапазон размеров частиц (от 0,05 мм и менее до 1,00 мм).
После 4-х часов обкатки-измельчения образуется материал, который более чем на 80%
состоит из частиц крупностью от 0,160 мм и менее. Класс порошка по гранулометрическому
составу находится в интервале между мелкими и очень мелкими порошками. В результате
исследования установлено, что гранулометрический состав порошка после восстановления
практически не меняется.
Исследование такой технологической характеристики порошков, как плотность
утруски, показали, что в результате уплотнения порошок изменяет начальную плотность
укладки частиц порошка в процессе прессования. Получены удовлетворительные
экспериментальные данные: плотность утруски – 2,13 ... 2,33 г / см 3; плотность укладки
частиц порошка в процессе прессования – 40 ... 45 г / см 3. Прессовки из порошков имеют
удовлетворительную формуемость. Образцы из этих порошков не осыпаются и не
расслаиваются. Плотность прессовок примерно 4 г / см 3.
Выводы.
1. Оптимизирован срок хранения шлифовального шлама, который обеспечивает
эффективность восстановления порошка стали ШХ15.
2. Экспериментально установлено, что обкатка-измельчение значительно улучшает
технологические свойства порошка стали ШХ15 по сравнению с порошком, полученным по
традиционной технологии, в частности насыпная плотность увеличивается в 2,5 раза, угол
естественного уклона уменьшается в 2 раза.
3. Исследование показало, что гранулометрический состав порошка, который
сосредоточен в -0,20 ... + 0,63 мм фракциях, зависит от режимов и времени обкатки-
измельчения, а также массового числа размольных тел.
4. Приведенные величины, характеризующие химический состав, физические и
технологические свойства стального порошка ШХ15, полученного из шлифовального шлама,
прошедший операцию обкатки-измельчения в мельнице, имеет значительно лучшие свойства,
чем порошок до проведения такой операции. Это дает возможность использовать их для
получения композиционных материалов антифрикционного назначения методами
порошковой металлургии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рудь В. Д. Технологічні процеси утилізації відходів машинобудівного виробництва:
навчальний підручник / В. Д. Рудь, Г. А. Баглюк, Т. Н. Гальчук, О. Ю. Повстяной. – Луцьк:
РВВ Луцького НТУ, 2015. – 296 с.
2. Гальчук Т. Н., Рудь В. Д. Використання відходів машинобудівного виробництва
для виготовлення деталей триботехнічного призначення: монографія / Т. Н. Гальчук, В. Д.
Рудь. – Луцьк: РВВ ЛНТУ, 2013. – 214 с.
3. Гальчук Т.Н. Вдосконалена технологічна схема переробки шламових відходів
машинобудування / Т.Н. Гальчук // Вісник Хмельницького національного університету. –
2012. – № 4. – С. 26–30.
4. Гальчук Т.Н. Кинетика измельчения в шаровой мельнице порошков, полученных из
отходов шарикоподшипникового производства / Т.Н. Гальчук, В.Д. Рудь // Порошковая
металлургия. – 2011. – № 5/6. – С. 20–26.
5. Гальчук Т.Н., Рудь В.Д., Божко Т.Є. Експериментальне дослідження технології
вібраційного подрібнення / Т.Н. Гальчук, В. Д. Рудь, Т.Є. Божко // Вісник Національного
технічного університету "Харківський політехнічний інститут". Збірник наукових праць.
Серія: Хімія, хімічна технологія та екологія: в 2-х ч.- Частина 1. – Харків: НТУ "ХПІ". – 2014.
– № 52 (1094). – С. 92–97.
6. Рудь В.Д. Використання вібраційних технологій для ущільнення порошкових
матеріалів // Вібрації в техніці та технологіях. – 2005. – № 2 (44) – С. 22–24.