Содержание
Введение
Глава 1. Сталь. Виды стали и их термообработка
Закалка
Термомеханическая обработка
Термообработка хромистых сталей
Глава 2. Извлечение стали из автомобильного лома
Глава 3. Извлечение стали из стального лома
Введение
Сталеплавильным заводамтребуется высокопроцентный металлический лом с высокой плотностью, который используетсядля загрузки в сталеплавильные печи. Однако большая часть высокопроцентноголома содержит значительное количество загрязнений, которые оказываютотрицательное воздействие на физические и химические свойства сталей,получаемых с использованием такого лома.
Одним из основных источниковнизкопроцентного стального лома являются старые автомобили, которые передиспользованием подвергают механическому уплотнению.
Глава 1. Сталь. Виды стали и их термообработка
Отжиг.
Отжигом называют термообработку,направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжигвключает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этойтемпературе и последующее медленное охлаждение. Цель отжига — уменьшитьвнутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличитьпластичность. Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.
Отжиг 1 рода — это такой видотжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовымипревращениями.
Отжиг 1 рода в свою очередьразделяют на 4 группы:
1. Гомогенизация — отжиг, направленный науменьшение химической неоднородности металлов, образующейся в результатерекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы после кристаллизациихарактеризуются неравновесной структурой, т.е. их химический состав являетсяпеременным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.
Химическая неоднородностьобусловлена различной температурой плавления исходных компонентов. Чем меньшеэто различие, тем более заметна химическая неоднородность, получающаяся вслитке. Избавится от нее невозможно, можно только уменьшить. Для этогоприменяют высокотемпературный отжиг с длительными выдержками (от 2 до 48 часов).При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая ис течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенноевыравнивание химического состава. Однако усреднение химического составапроисходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритнаяликвация. Чтобы устранить зональную ликвацию (химическую неоднородность впределах части слитка), необходимо выдерживать слитки при данной температуре втечение нескольких лет. А это практически невозможно.
В процессе отжига нагомогенизацию происходит постепенное растворение неравновесных интерметаллидныхфаз, которые могут образоваться в результате кристаллизации с большой скоростью.При последующем медленном охлаждении после отжига такие неравновесные фазыбольше не выделяются. Поэтому после гомогенизации металл обладает повышенной пластичностьюи легко поддается пластической деформации.
2. Рекристаллизационный отжиг. Холоднаяпластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговаядеформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, такихкак вакансии, дислокации. Образование ячеистой структуры происходит сизменением формы зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главнойдеформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенноувеличивается, пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшаядеформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Дляснятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагревметалла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующиммедленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. Длячистых металлов температура начала рекристаллизации tp=0,4Тпл,ºК, для обычных сплавов порядка 0,6Тпл, для сложных термопрочных сплавов0,8Тпл. Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднемсоставляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжигапроисходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей.Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов вкристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращаетсяв исходное состояние.
Степень деформации определяетразмер зерна после отжига. Если она близка к критической (eкр=5-15%),то в результате после отжига в металле возникают крупные зерна, что обычнонежелательно. Поэтому перед рекристаллизационным отжигом деформацию металловпроизводят со степенью 30-60%. В результате получается мелкозернистаяоднофазная структура, обеспечивающая хорошее сочетание прочности и пластичности.Увеличение степени деформации до 80-90% вызывает появление в металле текстурыдеформации. После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется натекстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленнымростом зерна. Увеличение размеров зерна, т.е. снижение механических свойств,может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтомупри назначении режимов отжига необходимо использовать диаграммурекристаллизации.
Рекристаллизационный отжиг можетприменяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательнаятермообработка. Как предварительная термообработка он применяется передхолодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имееткакую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационныйотжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степеньдеформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Какокончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требуетпоставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В некоторых случаяхпотребителю требуется полуфабрикат, сочетающий определенный уровень прочности снеобходимым запасом пластичности. В этом случае вместо рекристаллизационногоотжига используют его разновидность — отжиг на полигонизацию. Отжиг наполигонизацию проводят при температуре, которая ниже температуры началарекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишьчастичное устранение наклепа за счет процессов возврата второго рода, т.е. происходитуменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистойдислокационной структуры без изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепазависит, прежде всего, от температуры. Чем ближе температура к порогурекристаллизации, тем меньше наклеп, тем больше пластичность и наоборот.
3. Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренниенапряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Этомогут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерногонагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячейдеформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиесяв результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различныхместах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигатьбольшой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могутнеожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Устранениевнутренних напряжений производится с помощью специальных видов отжига. Этототжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации: tотж=0,2-0,3Тплº К. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, поддействием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из местс повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области спониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. Принормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет. Увеличениетемпературы резко увеличивает скорость разрядки, и продолжительность такогоотжига составляет несколько часов.
Отжигвторого рода — термообработка, направленная на получениеравновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.
При отжиге второго рода нагрев ипоследующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную заменуисходной структуры. Полная замена в результате двойной перекристаллизациипозволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снятьнаклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру исвойства детали. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.
Полный отжиг сопровождаетсяполной перекристаллизацией. При неполном отжиге структурные превращенияпроисходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжигприменяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы,исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.Закалка
Закалка- это термообработка, направленная на получение в сплавемаксимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня свойств.Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры, выдержку ипоследующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида фазовыхпревращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с полиморфнымпревращением и закалку без полиморфного превращения.
Закалкас полиморфным превращением. Этот вид закалки применяется для сплавов,в которых один из компонентов имеет полиморфные превращения.
При закалке с полиморфнымпревращением нагрев металла производится до температуры, при которой происходитсмена типа кристаллической решетки в основном компоненте. Образованиевысокотемпературной полиморфной структуры сопровождается увеличениемрастворимости легирующих элементов. Последующее резкое охлаждение ведет кобратному изменению типа кристаллической решетки, однако из-за быстрогоохлаждения в твердом растворе остается избыточное содержание атомов другихкомпонентов, поэтому после такого охлаждения образуется неравновесная структура.В металле сохраняются внутренние напряжения. Они вызывают резкое изменениесвойств, увеличивается прочность, уменьшается пластичность. При быстром охлажденииперестройка кристаллической решетки происходит за счет одновременного смещенияцелы групп атомов. В результате вместо обычных зерен в металле появляетсяигольчатая структура, которая называется мартенситом. Неравновесное состояниеметалла после такого типа закалки является термодинамически неустойчивым. Поэтому,чтобы перевести металл в более устойчивое состояние, получить необходимыйуровень внутренних напряжений, а соответственно и необходимые механическиесвойства, применяют дополнительную термообработку, которую называют отжиг.
Закалкабез полиморфного превращения.
Применяется для сплавов, не испытывающихполиморфных превращений, но имеющих ограниченную растворимость одногокомпонента в другом.
Если сплав, содержащий вторичныефазы, нагреть до температуры выше линии солидус, то увеличение растворимостиприведет к растворению вторичных фаз. Если теперь такой твердый раствор быстроохладить, то выделение вторичных фаз образоваться не успеет, т.к для этоготребуется время на прохождение процесса диффузии, образование другойкристаллической решетки, границ раздела между фазами. В результате, принормальной температуре пересыщенный метастабильный твердый раствор содержитизбыток второго компонента. Такое изменение структуры изменяет свойства сплава,прочность может, как увеличиться, так и уменьшиться, а пластичность, какправило, увеличивается. Состояние металла после такой закалки являетсятермодинамически неустойчивым. Самопроизвольно или под влияниемпредварительного нагрева метастабильный твердый раствор начинает распадаться свыделением вторичной фазы, т.е. αм®α+βІІ. Этотпроцесс называется старением.
Таким образом, старение — этотермообработка, которая проводится после закалки без полиморфного превращения,направленная на получение в сплаве более равновесной структуры и заданногоуровня свойств.
Отпуск.
Отпуск — термообработка,направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки сполиморфным превращением. Образование вторичных фаз после закалки с полиморфнымпревращением всегда сопровождается резким увеличением внутренних. Соответственномаксимально увеличиваются прочность и твердость, до минимума падаетпластичность. Чтобы получить необходимое соотношение прочности и пластичности,такой сплав после закалки подвергают дополнительной термообработке: отпуску. Нагреввызывает уменьшение концентрации легирующих элементов в твердом растворе ивыделение вторичных фаз.
После закалки без полиморфногопревращения сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. Такоесостояние сплава — нестабильное и с течением времени начинает меняться. Пересыщенныйтвердый раствор распадается с выделением из него мелких включений вторичнойфазы. Этот процесс проходит в несколько стадий:
На первой стадии в кристаллической решеткетвердого раствора появляются зоны, обогащенные атомами второго компонента. Стечением времени эти зоны увеличиваются.
На второй стадии концентрация атомов второгокомпонента достигает величины, соответствующей по концентрации выделениявторичной фазы.
Наступает третья стадия, т.е. формирование в этихзонах промежуточной кристаллической решетки, которая отличается то решеткитвердого раствора и от решетки вторичной фазы.
На четвертой стадии увеличение концентрациивторого компонента приводит к образованию окончательной кристаллической решеткивторичной фазы и образованию границы раздела между твердым раствором ивторичной фазой. Так как процесс распада твердого раствора основан, преждевсего, на диффузионных процессах, то он в значительной степени зависти оттемпературы. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада. Еслитемпература нормальная, то процесс распада называется естественным старением, а если температураповышенная, то — искусственным старением. Врезультате, после старения структура сплава представляет собой зерна твердогораствора равновесного химического состава, с равномерно распределенным пообъему, огромным количеством мелких выделений вторичной фазы. Эти выделения,располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют перемещению дислокаций,требуют увеличение скалывающего напряжения. Соответственно, прочность итвердость сплава увеличиваются.
Химико-термическаяобработка (ХТО).
Это одновременное воздействие наметалл химической среды, тепла с целью направленного изменения состава исвойств поверхности детали. Различные виды ХТО направлены либо на повышениекоррозионной стойкости, либо прочности и твердости, износостойких,антифрикционных свойств. Изменяя состав химической среды, можно в одних и техже деталях получать различные свойства.
Термомеханическая обработка
Это сочетание пластическойдеформации, упрочняющей термообработки, причем образующийся в результатедеформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые превращения, происходящие притермообработке.
Такое комплексное воздействие наметалл позволяет получить уровень свойств в металле более высокий, чем можнополучить после деформации или после термообработки в отдельности.
Коррозионностойкие стали
Коррозией называют разрушениеметалла под действием химического или электрохимического воздействия поддействием окружаемой среды. Основные факторы воздействия коррозии и ее влияниена экономику:
Экономический фактор — экономические потери промышленности в результате коррозии.
Надежность эксплуатации объектовили машин.
Экологический фактор.
Виды коррозии:
Равномерная (поверхностная).
Местная (точечная).
Межкристаллитная (по границамзерен).
Коррозия под напряжением (ножевая).
Электрохимическая коррозия.
Межкристаллитная коррозия (МКК).
Железо не являетсякоррозионностойким металлом. Чистое железо активно взаимодействует со всемиэлементами. Повысить коррозионностойкость можно введением легирующих элементов,которые вызывают его пассивацию. Пассивация — эффект создания на поверхностистальной детали тонкой защитной пленки, подслоем которой является кислород. Результат- электронный потенциал становится положительным и поверхность становится менеесклонной к коррозии. Усиливают пассивацию Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особенносильно влияет Cr.
Химический состав: Cr13-30%,Ni4-25%, Moдо 5%, Cuдо 1%. В зависимости от
содержания легирующих элементовструктура и свойства сталей могут быть различными. Если сталь содержит восновном Cr, который стабилизирует феррит, то сталь будет ферритной (низкаятвердость, низкая прочность, высокая пластичность). Если сталь содержит в себекроме Cr C, то ее структура будет мартенситной. Зная структуру стали, можнопрогнозировать ее свойства и назначать режимы термообработки. Для определения,к какому структурному классу относится сталь, разработана диаграмма Шеффлера.
Экв. Ni=%Ni +30 (%C) + 0,5 (%Mn).
Экв. Cr=%Cr +%Mo+ 1,5 (%Si) + 0,5 (%Nb).
Cr повышает коррозионнуюстойкость только в том случае, когда его количество в растворе превышает 13%. Есликоличество Crне слишком высоко и при этом сталь содержит много углерода, топроисходит взаимодействие Crи с образованием карбидов. Особенно энергичнообразование карбидов наблюдается на границах зерен. При этом количество Crвтвердом растворе снижается. И если Cr менее 13%, то границы зерен становятсянезащищенными. В результате коррозия легко может пересылаться по границам, незатрагивая центров зерен. Если скорость охлаждения велика, то карбиды пограницам зерен образовываться не успевают. Количество Cr не снижается меньше13%. Если скорость охлаждения очень мала, то при этом сначала образуютсякарбиды по границам зерен. При этом количество Cr снижается, но за счетдиффузии из центра зерна происходит увеличение содержания Cr и стойкостьвосстанавливается. Если охлаждение идет таким образом, что содержание Cr награницах не успевает увеличиться и остается меньше 13%, то такая сталь склоннак межкристаллитной коррозии. Чтобы сделать сталь нечувствительной кмежкристаллитной коррозии, нужно:
Понизить содержание углерода иазота.
Вводить в сталь другиекарбидообразующие элементы более сильные, чем Cr (Ti, Nb).
Увеличить скорость охлажденияпри термообработке.
Делать отжиг.
Хромистые нержавеющие стали.
Хромистые нержавеющие сталиявляются самыми дешевыми и поэтому самыми распространенными. Минимальноесодержание Cr13%. При содержании Cr больше 13% стабилизируется α — фаза (феррит)и никаких полиморфных превращений в таких сталях не происходит. Нагрев вызываеттолько увеличение зерна. Длительная выдержка при температуре около600-650º С вызывает появление в сталях интерметаллидной фазы. Образованиетакой фазы сильно охрупчивает сталь, поэтому является нежелательной. Медленноеохлаждение или длительная выдержка при 500º С вызывает образованиеупорядоченного твердого раствора, что также вызывает хрупкость стали. Такуюхрупкость называют 475ºной хрупкостью. Увеличение температуры выше1000º С вызывает бурный рост зерна и как следствие снижение вязкости, т.е.сталь тоже становится хрупкой. Поэтому при всех вариантах изготовления деталейиз этих сталей и их термообработки необходимо избегать температурныхинтервалов, при которых возможно охрупчивание и потеря вязкости.Термообработка хромистых сталей
Термообработка сталей взависимости от необходимости может быть смягчающей, т.е. отжиг или упрочняющей,т.е. закалка + отпуск. Отжиг проводится либо для устранения хрупкости, либо дляснятия наклепа, либо для стабилизации химического состава и устранениясклонности стали к межкристаллитной коррозии. Для устранения хрупкости,вызванной появлением упорядоченного твердого раствора, применяют отжиг снагревом 500-550º С. Время выдержки должно быть меньше, чем τminпри появлении хрупкости 475º. Скорость охлаждения 10º С вминуту. Для устранения наклепа, а так же σ-фазы применяют второй вариантотжига с температурой 850-900º С. Скорость охлаждения 10º С в минуту.Третий вариант отжига применяется для массивных деталей, когда требуетсястабилизировать содержание Cr по сечению детали, чтобы избежать склонностистали к межкристаллитной коррозии. Выдержка от 2 до 4 часов. Для хромистыхсталей мартенситного класса применяют упрочняющую термообработку: закалка +отпуск. Возможно применение одной закалки без отпуска, если деталь небольшихразмеров или охлаждение идет на воздухе. Для хромистых сталей мартенситногокласса охлаждение в любом случае дает мартенситную структуру. Поэтомуприменение охлаждающих сред (вода, масло) не требуется. Лишь охлаждение печьювызывает ферритно-карбидную структуру. Такой же структуры можно добиться послезакалки и отпуска при температуре 650º С.
Наибольшая твердость достигаетсяпосле закалки. В этом состоянии сталь обладает наивысшей коррозионнойстойкостью, т.к Cr находится в твердом растворе. Если требуется сохранитьтвердость и коррозионную стойкость, то отпуск стали проводят при температуре 250-350ºС. А если требуется повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650ºС).
Состав, структура и свойствахромистых сталей.
Основные легирующие элементы:
Cr- 13-28%.
С — 0,05-1%.
Ti, Nb
Ni, Cu, Mo- вводятся дляповышения коррозионной стойкости и вязкости.
Хромистые стали делят на:
Cr 13%.
Cr 17%.
Cr 25-27%.
Увеличение содержания углеродавызывает в хромистых сталях мартенситное превращение, так же появление карбидов.Чем больше карбидов и С, тем
По содержанию углерода сталиделят на:
Стали ферритного класса (08Х13,08Х17, 05Х27).
Стали ферритно-мартенситногокласса (12Х13).
Стали мартенситного класса (20Х13,30Х13, 40Х13).
Стали с мартенситом + карбиды (65Х16,95Х18Ш).
В зависимости от структуры сталиизменяются ее свойства и назначение. Стали ферритного класса из всех хромистыхотличаются наилучшей пластичностью. Из них изготавливают листы и другиеполуфабрикаты для изготовления деталей с применением сварки. Из всех хромистыхстали ферритного класса хорошо поддаются сварке. При использовании сталиследует помнить, что она может охрупчиваться при медленном охлаждении, а так жепри увеличении зерна. Поэтому в эти стали добавляют Tiи Nb, которые образуюткарбиды. Такие стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного классаприменяют отжиг в разных вариантах — 1, 2, иногда 3.
Стали мартенситного классаотличаются высокой твердостью и прочностью, поэтому их используют дляизготовления деталей, которые должны сохранять высокую прочность и твердостьпри работе в агрессивных средах. Для таких сталей проводят закалку + низкийотпуск.
Стали со структурой мартенсит +карбиды имеют большое количество карбидов хрома. Они используются дляизготовления деталей, которые работают в агрессивных средах при температуре от -150до +250º С. Твердость 57 HRC. Термообработка: закалка (1000-1150º С — воздух) + отжиг (250-350º С).
Хромоникелевые стали.
Если сталь кроме Cr содержит ещеNi, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться наферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения навоздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при какихвариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становится аустенитной.Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же ивысокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением,сварке, сохраняет свойства до 600-700º С, не охрупчивается, нечувствительна к хладноломкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии иее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.
И после закалки и после отжигаструктура одинаковая, одинаковые и свойства. Закалке подвергают тонкостенныеизделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжигаодинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr, Ni, тотемпература не должна превышать 950-1000º С. Увеличение температурывызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалкедолжно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшениястоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Ni вводить Mn.
Для того, чтобы стабилизироватьструктуру, необходимо, чтобы Cr15%. Если условие не выполняется,то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получениястабильной аустенитной структуры Ni заменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9).Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевыхсталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна,можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитногокласса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Сталиаустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чистоаустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшиеаустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтомуразработаны коррозионно-стойкие сплавы:
Fe — Ni — Cr (04ХН40МДТЮ).
Ni- Cr (ХН45В).
Ni- Mo (Н70МФ).
Cr — Ni — Mo (ХН65МВ).
Глава 2. Извлечение стали из автомобильного лома
Сталеплавильным заводамтребуется высокопроцентный металлический лом с высокой плотностью, которыйиспользуется для загрузки в сталеплавильные печи. Однако большая частьвысокопроцентного лома содержит значительное количество загрязнений, которыеоказывают отрицательное воздействие на физические и химические свойства сталей,получаемых с использованием такого лома.
Одним из основных источниковнизкопроцентного стального лома являются старые автомобили, которые передиспользованием подвергают механическому уплотнению. Обычно с автомобиля сначаласнимают двери, крышку багажника и капот, а оставшийся кузов и (или) рамуразрезают с образованием относительно больших панелей или секций, которые всвою очередь обрабатывают в каландрирующем устройстве, получая металлическиефрагменты небольших размеров. Иногда полученное таким образом сырье подвергаютмагнитной сепарации для грубого разделения черных и цветных металлов. Затемматериал сжимают прессом или с помощью падающего молота для получения листов,которые затем режут на полосы и пакетируют. Иногда пакетирование проводят сразупосле каландрирования, а в некоторых случаях пакетируют и крупные части безпредварительного разрезания. В любом случае в результате описанных процессовполучают металлический лом с относительно низкой плотностью и высокимсодержанием примесей.
Существует значительное числопредприятий по переработке корпусов автомобилей в металлический лом или дляполучения из автомобилей стали. Однако этим предприятиям свойственен ряднедостатков. Так, например, на них часто используется очень доростоящеетопливо, а тепло, выделяющееся в плавильных печах, используется неэффективно. Крометого, в соответствии с требованиями охраны окружающей среды, такие предприятиядолжны быть оборудованы эффективными средствами для очистки отходящих газов отсодержащихся в них загрязняющих веществ.
В некоторых случаях дляуменьшения содержания примесей проводят их выжигание из корпусов автомобилей. Однакопри этом не удалось достичь удовлетворительных результатов, поскольку горениена открытом воздухе происходит при относительно низких температурах. Крометого, во многих районах проведение такого процесса выжигания запрещенозаконодательством по охране окружающей среды. Лом, получаемый из автомобилейописанными выше способами, не находит широкого применения и спрос на старыеавтомобили для получения металлолома невелик. В результате этого все большееколичество брошенных утильных автомобилей скапливается на улицах и дорогахнекоторых районов. Ввиду большого количества таких автомобилей удаление их насвалку, после демонтажа деталей, которые могут быть использованы повторно,становится серьезной проблемой.
Процесс, разработанный П.Е. Райнхартомосуществляется на установке по переработке автомобилей, где автомобили покрайней мере частично разбирают, перерабатывают и превращают в продукты. Установкапредназначена для переработки корпусов и частей автомобилей с использованиемдешевых источников топлива при эффективном использовании остаточного тепла,образующегося в процессе горения. Установка для переработки автомобилейпозволяет максимально использовать тепло, выделяющееся при плавленииавтомобилей, и не вызывает существенного загрязнения окружающей атмосферы.
Расположение оборудования,используемого для проведения такого процесса, показано на рис.1. Установкасостоит из печи 7, в которую через люк 3 подаются использованныеавтомобильные шины, являющиеся источником топлива. Для загрузки шин в печьможет быть использован ленточный транспортер 4. В печи находитсянесколько горелок 5, которые служат для воспламенения шин в печи, а также длядополнительного нагрева. Горелки могут работать на любом известном топливе.
Нижняя часть печи выполнена ввиде наклонной поверхности 6 с отверстиями 7, предназначеннымидля удаления золы из печи. Таким путем из системы удаляется не только зола, нои стальные шипы, которые накапливаются при сжигании шипованных шин. Стальныешипы удаляют через центральное отверстие 8, расположенное на гребненаклонной поверхности. Желательно расположить в нижней части печи вибратор 6,способствующий удалению золы и стальных шипов из печи.
Под отверстием 8 находитсяконтейнер 9 для сбора стальных шипов. Сталь, извлекаемая из шипованныхшин, может быть направлена на дальнейшую переработку и использована дляпроизводства других деталей. Непосредственно над печью, под некоторым углом кней расположена транспортировочная система 10 для подачи утильныхавтомобилей // в реактор для переработки автомобилей. Транспортер находится внепосредственной близости от печи и благодаря этому тепло, излучаемое печыо,может быть аффективно использовано для выжигания нежелательных материалов и инициированияпроцесса плавления автомобилей.
Предпочтительно, чтобы транспортировочная система иподаваемые по ней автомобили были расположены в трубе 12 для того, чтобыизлучаемое тепло, поступающее к автомобилям, не рассеивалось в окружающуюатмосферу. Хотя на схеме транспортер 10 изображен практически параллельным кверхней части печи, он может быть установлен под некоторым наклоном к печи.
Горячий газ выходит из печи через отверстие 13 иконтактирует с вагранкой примерно в том месте, где в нее подаются автомобили. Такимобразом, подаваемые автомобили сначала подвергаются нагреву во времятранспортировки над печью, а затем действию газа с очень высокой температурой,выходящего из печи. В результате этого достигается эффективное плавлениепоступающих автомобилей.
Поскольку газ, выходящий из печи, сообщается с вагранкой, онявляется одним из основных источников ее обогрева. Однако для проведенияпроцесса плавления во многих случаях требуется дополнительный нагрев. Для этойцели могут быть использованы угольные электроды 14, выделяющие мощность,например 3200 кВ-А. Электроды установлены таким образом, что их можно погружатьв расплавленную сталь для полного переведения ее в жидкое состояние. Применениеугольных электродов позволяет повысить температуру в вагранке до 1650 °С и дажевыше. Электроды могут автоматически перемещаться в вертикальном — направлении,причем может быть задано любое расстояние между поверхностью расплавленногометалла и электродами. После полного перевода стали, помещенной в вагранку, врасплавленное состояние, угольные электроды автоматически удаляются из вагранки.Нижняя часть вагранки 15 имеет наклон, который позволяет легко удалять из неерасплавленную сталь.
После полного перевода стали, находящейся в вагранке, врасплавленное состояние, сталь выводят через отверстие 16, находящееся в нижнейчасти вагранки, и подают в баки-сборники 17, расположенные на ленточномтранспортере 18. В баке-сборнике происходит расслаивание расплавленной стали наболее тяжелый слой стали 19, находящийся внизу и на более легкий слой шлака,находящийся над сталью. Через некоторое время, после того как происходитдостаточное разделение шлака и стали, сталь сливают из бака-сборника черезимеющееся в нем отверстие и подают для дальнейшей переработки, например напрокатный стан, для производства легких строительных конструкций, таких какармирующие стержни, стойки оград и т.п. Оставшийся шлак может быть утилизированлюбым из известных способов. Баки-сборники могут быть закреплены натранспортере и после удаления содержимого транспортер снова возвращает их квагранке для повторного использования.
Как уже было сказано, образование расплава в вагранкепроисходит за счет горячих печных газов и нагрева угольных электродов. Горячиегазы, выходящие из печи и из вагранки, непрерывно удаляются из системы черезгоризонтальный газоход 21, в котором расположен ряд устройств, позволяющихэффективно использовать тепло отходящих газов. Например, в газоходе 21находятся плавильные аппараты 22, 23 и 24, в которых может проводиться плавкаотдельных деталей, которые предварительно были сняты с автомобиля. При этомчасти, для плавления которых необходима наиболее высокая температура, подают наплавление в аппарат, ближайший к вагранке. Так, например, в аппарате 22 длявыплавки меди перерабатывают генераторы переменного тока, радиаторы, стартеры,регуляторы напряжения и т.п. Другой плавильный аппарат, не показанный на схеме,может быть использован для переработки моторного блока автомобилей. Послеразборки мотора и отделения стальных частей, чугунные части мотора загружают вплавильный аппарат, где получают расплав, который продают литейным заводам.
В аппарате для выплавки цинка 23 можно перерабатыватькоробки передач, карбюраторы и т.п., а в аппарате для плавки стекла — плавитьвсе стеклянные детали автомобиля. В газоходе 21 могут быть установлены и другиеплавильные аппараты, а также другие устройства для утилизации тепла, напримерэлементы 25, 26 и 27, производящие водяной пар для паровых котлов. Послепрохождения через все описанные выше устройства газ, выходящий по газоходу,подвергают дальнейшему охлаждению и очистке перед выбросом в атмосферу. Дляэтой цели газоход 21 выполнен с расширенной частью 28, причем между внутреннейстенкой расширенной части и наружной стенкой газохода имеется зазор 29, черезкоторый в систему попадает холодный окружающий воздух.
В расширенной части газохода имеются также вентиляционныеотверстия 30, расположенные под углом к потоку отходящих газов. Поступающийчерез них воздух эффективно смешивается с проходящим горячим газом, врезультате чего происходит равномерное охлаждение отходящих газов. Послевентиляционных отверстий в расширенной части газохода находятся распыляющиефорсунки 31, служащие для удаления из газов оставшихся примесей. С помощьюнасоса 32, который расположен в конце горизонтального газохода и создаетразрежение, газ выводят в атмосферу при значительно пониженной температуре,причем он практически не содержит примесей.
/>
Рис.1. Схема процесса выделениястали и Других компонентов из автомобильного лома: - автомобильный лом; 2 — разборка;3 — резина (шины); 4 — сталь (кузов и рама); 5 — литье (моторный блок); 6 — запасныечасти иа продажу; 7 — оконное стекло; 8 — цинк (трансмиссии, карбюраторы); 9 — медь(генераторы, стартер); 10 — сжигание шин; 11 — электрическая печь (плавление); 12- сталь; 13 — литье; 14 — зола; 15 — стальные накладки иа колеса; 16 — электрическаяпечь (выдержка); 17 — печь; 18 — литье на продажу; 19 — прокатный стан; 20 — конструкционныематериалы — армирующие стержни, стойки оград; 21 — печь для удаления слоистогопокрытия; 22 — плавильная печь; 23 — товарный продукт
Описанная выше установка для переработки автомобилейпозволяет достичь максимального использования производимого тепла и эффективноперерабатывать практически все части автомобиля, в частности такие какизношенные шины, используемые в качестве дешевого топлива. Преимуществом такоготоплива является возможность создания в печи очень высоких температур,поскольку в материале шин содержится сера.
Глава 3. Извлечение стали из стального лома
В металлургии, в частности в литейном производстве, приполучении чугуна и стали, в плавильные печи загружают металлический лом. Налитейных заводах металлолом является главным источником сырья, используемогодля получения металлических отливок. При производстве стали и чугуна в печьзагружают большие количества лома в смеси с железной рудой. Применение находятразличные типы металлолома, в частности листовые обрезки, остатки от штамповки,стружки, заслонки, стояки и лом отливок. Все более широкое использованиенаходит лом автомобильных частей, таких как разбитые моторные блоки, коробкипередач и дифференциалы.
Одной из серьезных проблем при использовании металлическоголома является то, что он содержит различные загрязнения, такие как масла исмазки, в особенности в случае автомобильного лома. При хранении лома наоткрытом воздухе он захватывает влагу. Загрузка такого загрязненногометаллолома в печь нежелательна, поскольку влага и другие легко летучие материалы,в частности смазки, быстро переходят в объем печи и могут привести к взрыву. Крометого, масла и смазки, которые не улетучились при нагревании, будут загрязнятьрасплавленный металл.
При загрузке в печь холодного металлолома время достижениятемпературы плавления сырья и нагрузка на печь будут выше чем при использованиипредварительно нагретого лома. Поэтому на многих литейных заводах дляувеличения производительности печи и эффективности процесса лом подвергаютпредварительному нагреву. Для нагрева металлолома и для удаления из него влагисмазок или масел разработаны различные типы оборудования. В частности дляпредварительного нагрева используют транспортер, по которому металлоломперемещается под кожухом. В кожухе размещены горелки, пламя которых направленона металлолом, находящийся на транспортере; таким образом выжигаются смазки ивлага и происходит подогрев лома.
Использование систем данного типа для подогрева металласвязано с загрязнением окружающей среды выделяющимся дымом и несгоревшими углеводородами.Одним из путей уменьшения количества несгоревших углеводородов является подачав кожух избыточного количества воздуха для полного сжигания смазок и масел,содержащихся в ломе. Избыток воздуха может подаваться в горелки, либо окружающийвоздух может быть впущен под кожух. Однако при наличии избыточного количествавоздуха происходит нежелательное окисление металла. Для того, чтобы избежатьокисления, описываемые системы подогрева обычно работают в восстановительнойатмосфере. Образующийся газ с высокой концентрацией несгоревших углеводородов внекоторых случаях выбрасывают в атмосферу. В других процессах газы, выходящиеиз печи, перед выбросом в атмосферу подают для очистки в дожигатели.
Еще одним недостатком системы подогрева в кожухе являетсянеравномерный подогрев металлолома. Толщина слоя лома может изменяться по длинетранспортера. Кроме того, поскольку горелки расположены на некотором расстояниидруг от друга, лом, расположенный непосредственно под горелками, будетнагреваться сильнее, чем сырье, находящееся в промежутках между ними. Горелкинаиболее сильно нагревают верхнюю поверхность лома. Боковые и нижняя частьсырья получают меньше энергии и в результате неравномерности нагреванаходящиеся на этих частях загрязнения удаляются в меньшей степени.
В боковых стенках кожуха имеется удлиненная камера сгоранияи каналы, расположенные между камерой сгорания и внутренней частью кожуха. Спомощью вентилятора несгоревшие углеводороды из внутренней части кожуха поканалам засасываются в камеру сгорания. В пространство между транспортером ибоковыми стенками кожуха подается воздух, который по боковым каналам такжепоступает в камеру сгорания, где происходит полное сгорание углеводородов,позволяющее уменьшить загрязнение окружающей атмосферы. Длина кожуха срасположенными на нем горелками превышает протяженность металлолома,расположенного на транспортере.
В процессе работы транспортер периодически передвигается нанебольшое расстояние, в результате чего происходит перемещение и перемешиваниесырья. В процессе перемещения работают только те горелки, которые расположенынад металлоломом. Сначала горелки дают окисляющее пламя, а после выгоранияуглеводородов, присутствующих в ломе, создается восстанавливающее пламя длятого, чтобы предотвратить сильное окисление металла.
Электротермическая выплавка стали из металлолома обычнопроводятся с помощью электродуговых печей. Однако в определенных случаях можетбыть применено и другое плавильное оборудование, например индукционные печи. Преимуществамиэлектродуговой печи является возможность концентрации больших количеств энергиии, следовательно, высокая производительность, независимость от физическихсвойств подаваемого сырья (хотя эти свойства будут существенно влиять на расходэнергии), а также возможность контроля за шлакообразованием. Однако эти печиимеют и ряд недостатков, в частности создают значительный шум в процессе плавкии сильные флуктуации в потребляемом напряжении, что приводит к необходимостибольшого числа линий электропередачи. Кроме того, наблюдаются значительныепотери металла, обусловленные непосредственным действием электрической дуги наметаллолом на стадии плавления и на расплавленную сталь на стадии рафинирования.Потери железа также связаны с образованием относительно большого количествашлака, имеющего значительное содержание железа. Электродуговая печь имеет такженедостаточно высокий тепловой к. п. д. В качестве других недостатков можноотметить ионизацию в дуге и абсорбцию азота, присутствующего в газовой фазе,необходимость использования дорогостоящих графитовых электродов и ограниченнуюемкость печн, связанную с ограниченными размерами графитовых электродов. Помимоэтого в процессе работы печи происходит сильный износ огнеупорной футеровки,обусловленный как сильными температурными воздействиями, так и механическими ихимическими факторами.
/>
Метод предназначен для устранения указанных выше недостатковпри сохранении всех преимуществ, характерных для электродуговых печей. Цельюпроцесса является улучшение расходных коэффициентов н технологическихпараметров, а также достижение наибольшей термической и металлургическойэффективности используемой аппаратуры. Для устранения недостатков проводятнепрерывное плавление металлолома в ванне, постоянно покрытой слоем шлака,причем нагрев производится с помощью электродов, погруженных в слой шлака.
Схема аппарата для проведения такого процесса представленана рис.3. Стационарная электродуговая печь нагревается с помощью электродов1,предпочтительно отожженных угольных электродов, например электродов Сёдерберга.В крышке печи 3 имеется устройство 8 для непрерывной подачи измельченногометаллолома. Через устройство 2 в печь подаются крупные порции лома, в которыхотдельные части соединены, например сваркой.
Внутри печи толстый слой шлака 4 постоянно покрывает расплавметалла 6, причем электроды погружены в слой шлака 4. Отвод шлака производитсячерез сливную трубу 7. Ниже расположена труба 5 для слива металла; место еерасположения зависит от минимальной толщины слоя шлака.
Применяемый метод предусматривает получение в печинепрерывного слоя шлака, имеющего определенную толщину и температуру,погружение электродов печи в шлаковый слой, предварительный подогревподаваемого сырья до требуемой температуры и регулирование скорости подачи ломав соответствии со скоростью процесса.
Поскольку электроды погружены в слой шлака и не контактируютс подаваемым сырьем, то теплопередача от шлакового слоя к сырью осуществляетсянепрерывно, при прохождении металлолома через слой шлака. В результате этогоудается избежать протекания химических реакций на поверхности раздела сырье — шлаки потерь тепла за счет излучения, а также обеспечить постоянное протеканиепроцессов декарбонизации, десульфурацин и дефосфорации подаваемого сырья.