Применение ротационных наклоняющихся печей для организации безотходного оборота металлов на машиностроительных предприятиях и производства отливок

Ровин С.Л., Калиниченко А.С.

Литейное производство является основной заготовительной базой  машиностроения: литые детали составляют от 40 до 80% массы современных автомобилей, станков, специальной и сельскохозяйственной техники, промышленного оборудования и т.д. При этом абсолютное большинство литейных цехов на постсоветском пространстве входит в структуру машиностроительных предприятий. Одной из глобальных проблем современного литейного производства является дефицит качественных шихтовых материалов и постоянный рост цен, причем не только на первичные материалы, но и на качественный кусковой лом. В тоже время жесткая конкуренция на ставших открытыми рынках сбыта заставляет искать пути снижения стоимости отливок. Как следствие – современные литейные цеха вынуждены работать в условиях постоянного снижения качества применяемых шихтовых материалов.

С другой стороны, машиностроительные предприятия, их литейное, термическое и металлообрабатывающее производство, – источник большого количества разнородных металлоотходов, львиную долю которых составляют дисперсные отходы, содержащие железо: стружка, мелкий скрап, окалина, шламы, аспирационная пыль плавильных и механических участков и т.д. При этом только кусковой лом (бракованные детали и отливки, литниково-питающие системы и т.п.) и в определенной степени (55-60%) стружка и скрап возвращаются в производство [1]. Что же касается оксидных и многокомпонентных металлоотходов, то все они, практически в полном объеме, остаются в отвалах предприятий, создавая серьезную экологическую проблему. Традиционное оборудование, которым располагают сегодня литейные цеха, не позволяет рентабельно перерабатывать подобные материалы. В тоже время многие из этих отходов по содержанию железа не уступают и даже превосходят железорудные концентраты (таблица 1).

Таблица 1. Химический состав наиболее характерных железосодержащих отходов беларуских машиностроительных предприятий

Перспективу комплексного решения проблемы утилизации металлосодержащих отходов открывает применение ротационных наклоняющихся печей (РНП). Появившись в начале 90-х годов ХХ века как альтернатива короткобарабанным плавильным печам, РНП достаточно быстро заняли доминирующее положение во вторичной металлургии цветных сплавов. Обогащение дутья кислородом, применение кислородного копья и газокислородных горелок позволяет использовать эти печи для плавки не только цветных, но и черных сплавов. Сегодня РНП, применяемые в качестве основных агрегатов чугунолитейных цехов, уже можно встретить на заводах Италии, Чехии, Германии, США.  Печи такого типа, разработанные предприятием «Технолит», представлены на рис. 1.

Рисунок 1. 3d-модель и общий вид РНП полезной емкостью 3,75 м3, позволяющей единовременно перерабатывать до 12-15 тонн дисперсных металлосодержащих отходов

Однако наибольшие преимущества РНП демонстрируют при переработке полидисперсного сырья. В отличие от обычных короткобарабанных печей с прямолинейным движением газов в РНП поток движется по сложной винтовой петлеобразной траектории, что обеспечивает многократное увеличение пути и соответственно времени пребывания горячих газов в рабочем пространстве печи. Благодаря вращению газового потока его скорость относительно поверхности материала в 5-8 раз превышает осевую скорость, достигая 25-30 м/с, что, с одной стороны, интенсифицирует конвективный теплообмен между газами и материалом, а с другой – благодаря циклонному эффекту, позволяет значительно (в 1,5-2 раза) уменьшить вынос из печи мелких фракций. Дисперсный материал в РНП, вращающихся под углом 12-18о к горизонту, в отличие от барабанных печей с горизонтальной осью вращения, интенсивно перемешивается не только в радиальном, но и в осевом направлении. Постоянное обновление (перемешивание) слоя и его интенсивная продувка турбулентным газовым потоком многократно ускоряют процессы массопереноса и теплообмена: в РНП объемный коэффициент теплопередачи (αv) достигает 2000-3000 Вт/м3×К, что почти на три порядка выше, чем в неподвижном слое материала в стационарных печах отражательного типа, где αv = 3-5 Вт/м3×К. Тепловой КПД РНП при нагреве и расплавлении дисперсных материалов достигает 50-60%, что в 2-3раза выше, чем в индукционных, дуговых или традиционных короткобарабанных печах [2].

РНП компактны и удобны в эксплуатации. Благодаря возможности наклона и относительно большой горловине в них легко загрузить шихту и слить жидкий расплав. Полезная емкость этих печей на 20-25 % больше чем аналогичных по размерам короткобарабанных, лимитируется только технологическими потребностями и может варьироваться от 0,3 до 7,5 м3.

РНП дает возможность активного проведения всех металлургических процессов: нагрева, восстановления, расплавления, рафинирования, перемешивания расплава, перегрева, выдержки и т.д. Ротационные наклоняющиеся печи позволяют вести методический режим обработки как по температуре, так и по составу атмосферы печи. Шлак в таких печах перегрет и имеет высокую активность.

В отличие от всех других вариантов переработки дисперсных металлоотходов рециклинг в РНП не требует проведения их предварительной подготовки: сушки, удаления масел, гомогенизации, окомкования, брикетирования и т.д. 

К преимуществам ротационных печей относятся возможность работы на жидком и газообразном топливе, применения в качестве восстановителей любых углеродосодержащих материалов, в том числе, отходов (например, отсева кокса или лигнина), относительно низкая стоимость и простота изготовления, удобство обслуживания и высокая степень управляемости металлургических процессов.

В зависимости от поставленной задачи и имеющихся на предприятии технических возможностей РНП позволяют реализовать различные технологические схемы рециклинга.

Простейшая из них – высокотемпературный безокислительный нагрев стружки и мелкого скрапа в РНП, с последующим использованием горячей стружки при плавке металла в индукционных печах. Установка 2-тонной ротационной печи РНП-2,0 и внедрение этой технологии на Гомельском литейном заводе «Центролит» позволило увеличить количество стружки в шихте с 10-15% до 20-25%, при этом на 15-17% сократив общее время плавки чугуна в 10 тонных индукционных печах промышленной частоты и удельные затраты электроэнергии на получение 1 тонны расплава, повысить качество чугуна, полностью освободиться от влаги, масел и органических примесей, содержащихся в стружке и исключить залповые выбросы дыма при загрузке стружки в индукционные печи. По заводским данным при расходе природного газа в пределах 8-14 м3/т продолжительность нагрева стружки до 700-800 оС составила 15-20 минут, при этом удельные затраты электроэнергии на расплавление стружки снизились в среднем на 250 кВт×ч/т. При объеме переработки стружки на уровне 3500-4000 т/год  среднегодовой экономический эффект составил около 100 тысяч долларов США.

При обеспечении плавильного участка кислородом появляется возможность проведения в РНП восстановления и плавки дисперсных железосодержащих отходов.

Технологический процесс переплавки металлических отходов (стружки, металлической пыли, мелкого скрапа и т.п.) включает в себя: высокотемпературный безокислительный нагрев, расплавление, при необходимости – науглероживание, выдержку, скачивание шлака и выдачу расплава в разливочный ковш или изложницы. Окисление металла при нагреве предотвращается благодаря высокой скорости нагрева (60-80 K/мин.) и поддержанию восстановительной атмосферы в печи (добавление в завалку 6-8% твердого восстановителя и сжигание топлива с коэффициентом избытка воздуха a=0,85-0,9). Примерные удельные затраты материалов и энергоносителей на процесс плавки стружки в РНП представлены в таблице 2, потери металла на угар, пылеунос и в шлак в ходе опытно-экспериментальных плавок не превышали 1-2%, продолжительность плавки составила 40-45 мин. Химсостав металла, полученного при переплавке чугунной и смешанной стружки, приведен в таблице 3.

Таблица 2. Удельные затраты материалов и энергоносителей на получение 1 тонны металла из металлоотходов в РНП

Технология переработки оксидных железосодержащих отходов (окалины, аспирационной пыли, шламов и т.п.) в общем случае может быть условно разделена на два основных этапа:

I – загрузка исходных материалов (железосодержащих отходов, твердого восстановителя и флюсов), нагрев до 900-1000°С и твердофазное восстановление оксидов железа в восстановительной атмосфере (достигается сжиганием газа при недостатке кислорода a = 0,6-0,7 в присутствии твердого восстановителя) при температуре 1000-1300 °С. Продолжительность этой стадии - 2,5-3 часа, в зависимости от степени окисленности исходного сырья. По окончании твердофазного восстановления степень металлизации достигает 70-80%;

II – повышение температуры, расплавление, окончательное жидкофазное восстановление, при необходимости - науглероживание расплава, выдержка до прекращения кипа и разливка в

изложницы.  Температура в печи при  расплавлении  поднимается до 1700-1800 °С, что достигается обогащением дутья кислородом до общего содержания (27-29) %. Продолжительность этой стадии - 30-50 минут.

Удельный расход железосодержащего сырья, флюсов, восстановителя, энергоносителей, отнесенный к тонне получаемого металла, изменяется пропорционально содержанию железа (Feобщ) в исходном сырье (таблица 2). Выход металла составляет 85-90% от теоретически возможного, т.е. от содержания железа в перерабатываемых отходах. Состав металла, полученного в результате рециклинга в РНП окалины и аспирационной пыли электродуговых печей, приведен в таблице 3.

Себестоимость металла (шихтовых слитков), полученного из оксидных железосодержащих отходов в РНП с учетом актуальных цен на энергоносители и исходные материалы в Беларуси составляет на более 110-115 дол./т, из стружки – 120-125 дол./т, что соответственно на ~ 20 и ~ 15% ниже цен на стальной лом марок 1А, 2А, 4А и чугунный лом марок 17А и 18А.

Таблица 3. Химический состав металла, полученного в РНП из чугунной и смешанной стружки (с.1 и с.2), окалины (3,4,7,8) и аспирационной пыли (п.5 и п.6)  при использовании различных режимов плавки

В зависимости от производственной задачи, полученный расплав непосредственно в РНП может доводиться до состава марочных сплавов, соответствующих  выпускаемым на предприятии отливкам, либо разливаться в чушку для последующей переплавки в существующих плавильных печах (вагранках, тигельных индукционных, электродуговых печах).

Однако при наличии на производстве электрических плавильных печей наиболее рациональным вариантом рециклинга является реализация дуплекс-процесса: «РНП - индукционная печь» или «РНП - дуговая печь». По этой схеме на первом этапе в РНП осуществляется переплавка или восстановительная плавка исходного дисперсного сырья по одному из двух представленных выше технологических процессов, а на втором этапе полученный в РНП расплав в жидком виде передается в индукционную или дуговую печь, где осуществляется его доводка по химсоставу, выдержка и разливка в литейные формы для получения фасонных отливок. При этом исключается необходимость повторного расплавления металла.

Апробация дуплекс-процесса «РНП - индукционная печь» была проведена с использованием индукционной тигельной печи повышенной частоты ИСТ-0,06 в опытно-экспериментальном цехе механико-технологического факультета БНТУ при изготовлении опытных партий фасонных отливок «Крышка MRR» с толщиной стенки 8-15 мм из серого чугуна марки СЧ20. Опытные партии отливок изготавливались с полной заменой покупного чугунного и стального лома и частичной заменой чушкового чугуна на металл, полученный в РНП (использовался металл плавок №№ 3,4,8, химсостав которого приведен в таблице 3). Составы шихты, использованной для изготовления опытных и контрольной партий отливок, представлены в таблице 4.

Свойства отливок из опытных партий оценивались на соответствие требованиям ГОСТ 1412-85 и сравнивались с характеристиками контрольной партии отливок, изготовленной с использованием стандартной технологии плавки и традиционных шихтовых материалов. Чугун, полученный при проведении опытных и контрольной плавок, проверялся на жидкотекучесть (по пробе Керри в соответствии с ГОСТ 16438-70) и отбел (по клиновой пробе). При изготовлении опытных и контрольной партии отливок использовались одинаковые режимы плавки и заливки форм. Спираль Керри заливалась в сухую песчаную форму при температуре расплава 1370-1390°С.

Таблица 4. Составы шихты контрольной и опытных плавок

Химический состав полученных отливок приведен в таблице 5. Единственным заметным отличием в составе чугуна опытных плавок является существенно меньшее содержание фосфора.

В таблице 6 приведены результаты определения физико-механических свойств и анализа структуры контрольных отливок и отливок из опытной партии №1, а также литейные свойства полученного чугуна. Микроструктура полученных отливок представлена на рис. 2. Все отливки, изготовленные в составе опытных партий, соответствовали требованиям конструкторской и технической документации и ГОСТ 1215-85, не уступая отливкам из контрольной партии, даже превосходя их по прочности и твердости, что возможно связано с меньшим содержанием фосфора и отсутствием в их структуре фосфидной эвтектики.

Таблица 5. Химический состав чугуна контрольной и опытных плавок

Таблица 6. Физико-механические свойства, структура отливок и литейные свойства чугуна   контрольной и опытных плавок

Применение дуплекс-процесса «РНП-индукционная печь» позволяет не только использовать более дешевые шихтовые материалы – собственные или покупные низкосортные дисперсные металлоотходы без какой-либо их предварительной подготовки, но дает возможность перейти к плавке с жидкой завалкой и, таким образом, увеличить производительность индукционных печей, значительно снизив удельные расходы электроэнергии на плавку металла.

Замена чугунного и стального лома, которые составляют при традиционной плавке в индукционных печах около 50% шихты, на жидкую завалку металлом, полученным в РНП, позволит на 40-45% снизить удельные затраты электроэнергии на получение 1 тонны чугуна с 620-680 кВт·ч при плавке на среднечастотных печах (средний показатель по литейным цехам Беларуси) до 380-420 кВт·ч.

В целом, замена покупного лома в составе шихты на металл, полученный из металлоотходов в РНП, и реализация жидкой завалки позволят снизить себестоимость 1 тонны чугуна на 40-45 долларов США. При этом, учитывая что средний выход годного при производстве чугунных отливок находится в пределах 65-70%, снижение себестоимости годных отливок составит около 60-65 дол./т. Аналогичный и даже больший эффект при использовании дуплекс-процесса может быть получен при производстве стальных отливок (учитывая, что для стальных отливок выход годного, как правило, не превышает 52-57%). Дополнительный, не менее значимый эффект, обеспечит снижение экологического сбора и сокращение затрат на захоронение металлоотходов.

Внедрение технологии переработки дисперсных металлоотходов в ротационных наклоняющихся печах может быть реализовано в условиях практически любого машиностроительного предприятия. Ориентировочная стоимость таких печей составляет от 30 до 180 тыс. долларов США (в зависимости от полезной емкости, производительности и комплектации печи). Объем инвестиций в периферийное оборудование составляет примерно такую же сумму. Срок окупаемости такого проекта при рациональной организации производства – не более одного года (при объеме производства в на уровне 10000 тонн отливок в год – около 8-9 месяцев).

Внедрение ротационных наклоняющихся печей открывает для литейного производства новую сырьевую базу, превращая в качественную шихту практически любые металлоотходы, и позволяет организовать действительно безотходный оборот металла на машиностроительных предприятиях. 

Литература

1. Дьяконов О.М. Комплексная переработка стружки и металлосодержащих шламов. - Минск: Технология, 2012. - 262 с.
2. Ровин С.Л. Рециклинг металлоотходов в ротационных печах. – Минск: БНТУ, 2015. – 382 с.  

Сведения об авторах: