Способ переработки дисперсных металлоотходов

 

Сущность изобретения заключается в том, что дисперсные металлоотходы, преимущественно отходы шлифования, перерабатывают путем обезвоживанию, удаления масел, термообработки, измельчения и магнитной сепарации. Термическую обработку шлама осуществляют путем отжига в капсуле под слоем инертной засыпки с нагревом под факелом. После магнитной сепарации часть полученного металлического порошка разделяют на порции, в каждую порцию вводят различное количество углерода и проводят восстановительный отжиг путем послойной загрузки порций смеси и нагрева до прекращения выделения оксида углерода с определением по убыли массы каждого отожженного слоя предельного количества углерода, при котором убыль массы становится величиной постоянной. Затем предельное количество углерода вводят в оставшуюся часть металлоотходов, восстановительный отжиг ведут в капсулах под слоем инертного материала и древесных опилок. Способ отличается высокой эффективностью. 4 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам переработки дисперсных металлоотходов, и может найти применение в металлургической отрасли промышленности.

Известен способ переработки дисперсных металлоотходов - отходов шлифования с получением металлического порошка, включающий обезвоживание их до влажности 4-20%, удаление из отходов масла в режиме отстоя и саморазогрева, сушку подогретым воздухом, измельчение, магнитную сепарацию [1].

Недостаток этого способа в том, что стальной порошок окислен и содержит органические вещества (твердый остаток разложения масла): без восстановления и спекания этого порошка в ходе восстановительного отжига его нельзя применять в порошковой металлургии, переплавлять в индукционной и электродуговой печах или в вагранке. В то же время в процессе безокислительного отжига порошка происходит пиролиз органических веществ и твердый остаток пиролиза - кокс идет на довосстановление металлического порошка, но этого кокса недостаточно для полного восстановления порошка. Да к тому же из-за колебания содержания органики в отходах, кислорода в металле и даже темпа их нагрева колеблется и содержание кокса.

В процессе восстановительного отжига содержание кокса в стальном порошке убывает, сам порошок спекается, но прочность спеков тем выше, чем меньше в порошке кислорода и углерода.

Цель изобретения - повышение эффективности восстановительного отжига без науглероживания дисперсных металлоотходов с образованием спеков.

Цель достигается в способе переработки дисперсных металлоотходов, преимущественно отходов шлифования, включающем обезвоживание, удаление масел, сушку подогретым воздухом, измельчение, магнитную сепарацию, отличающемся тем, что предварительно перед восстановительным отжигом в часть металлического порошка вводят различное количество углерода, осуществляют восстановительный отжиг слоев их смеси до прекращения выделения оксида углерода и по убыли массы каждого спекшегося слоя определяют количество углерода, при котором убыль массы становится величиной постоянной, после чего это предельное количество углерода вводят в оставшуюся часть металлоотходов, причем восстановительный отжиг ведут в капсулах под слоем инертного материала и древесных опилок.

Наличие древесных опилок предотвращает окисление стального порошка в ходе его разогрева при отсутствии в нем органики (ропилки в ходе их пиролиза выделяют газ, создающий безокислительную атмосферу), а также окисление спеков, в том числе в процессе их охлаждения, когда выделение оксида и двуокиси углерода прекращается.

Так как количество кислорода в металлоотходах после их усреднения в барабанных мешалках может колебаться от 1 до 30%, то нельзя утверждать, что ввод в них фиксированного количества углерода, например 1-2%, обеспечивает восстановление металлического порошка и связанную с ним прочность спеков.

Количество углерода, необходимое для удаления кислорода из окислов при идеальном контактировании его с окислами, при полном удалении СО из слоя без взаимодействия его с кислородом металла определяется из отношения содержания кислорода М_о и углерода М_с соответственно их атомным весам: М_о = 1,33 Мс.

При идеальном межфазовом контактировании и 100% взаимодействии СО с кислородом в металле (например, за счет рециркуляции СО) М_о = 2,66 Мс.

При восстановлении железного порошка в достаточно большом объеме это соотношение в зависимости от условий отжига должно составлять М_о = 1,8-2,2 М_с.

Это соотношение зависит от объема, высоты слоя отходов, размеров частиц и вида отходов, т.е. найти расчетным путем оптимальное соотношение M_o/M_c практически невозможно, что может привести либо к гарантированному науглероживанию металлоотходов, либо их недовосстановлению: и в том, и другом случае снижается прочность и плотность спеков, а значит при переплаве возрастает угар металла и зашлакование печей малоподвижным шлаком, состоящим из окислов металла. Предложенный способ позволяет по убыли массы отходов, смешанных с углеродом, определить предельное количество этого углерода, необходимое для восстановления металла, его более плотного спекания, независимо от размеров капсул и вида отходов. В частности, таким способом восстанавливались гальванические отходы.

При отжиге под слоем инертного материала отходов, содержащих в общем случае воду, масло и углерод, сначала наблюдается выделение паров воды, затем вспыхивает желтый факел выгорающих паров масла (органики). Затем горение желтого факела прекращается, из слоя выделяется СО₂, а при температуре стенок капсулы около 800^оС вспыхивает синий факел горящего оксида углерода, который гаснет после восстановления металлоотходов.

Инертная засыпка на поверхности слоя металлоотходов без направляющих стенок (при отжиге без капсул) пробивается газами СО+СО₂, выбрасывается из каналов, а после прекращения выделения СО и СО₂ каналы остаются и через них к металлу поступает кислород воздуха. Если после прекращения выделения СО нет возможности быстро охладить отходы, то они дополнительно окисляются кислородом воздуха.

При наличии смеси инертного материала с древесным углем и отжиге в капсулах дополнительного окисления металла практически не происходит.

П р и м е р 1. Перерабатывались отходы быстрорежущей стали марки Р6М5, извлеченные из абразивного шлама Минского инструментального завода. Шлам предварительно пролежал в контейнере две недели. Извлечение этих отходов осуществлялось путем отжига шлама в капсуле под слоем инертной засыпки до прекращения горения факела с быстрым охлаждением инертной засыпки и стенок капсулы. Затем отходы усреднялись и дробились в шаровой мельнице до возрастания их плотности утряски в 2-3 раза, просеивались и пропускались через импульсный магнитный сепаратор. Часть концентрата с содержанием стали 99% смешивалась последовательно с 0; 1; 2; 3; 4; 5% углерода, каждая такая смесь помещалась в отдельной капсуле высотой 360 мм, диаметром 150 мм, с засыпкой слоя металлоотходов смесью инертных частиц с древесными опилками. Капсула помещалась в печь, установленную на весах. Отжиг вели при 1100^оС, пока не прекращалось горение СО, и дальнейшего изменения веса капсул уже не наблюдалось.

В табл.1 приведены результаты измерения изменения массы металлоотходов после отжига.

При дополнительном вводе в металлоотходы 2% углерода было достигнуто максимальное уменьшение массы отходов и достигалась максимальная прочность спеков. При вводе 3-5% углерода прочность спеков уменьшалась тем значительней, чем выше было содержание углерода. Например, при 5% углерода спеки рассыпались в руках, тогда как при 2% они не разбивались даже при сбрасывании их с высоты 2 м на бетонный пол.

П р и м е р 2. Перерабатывались те же самые отходы, что и в примере 1, но помещенные в капсулу диаметром 500 мм, высотой 200 мм. Слой металлоотходов высотой 100 мм. Результаты отжига при 1100^оС приведены в табл.2.

Наиболее прочные брикеты были при С = 3%. Отсюда можно сделать вывод, что при спекании слоев небольшой высоты ухудшается межфазовое контактирование СО и металлоотходов.

Такие же результаты по определению оптимального количества дополнительного углерода, вводимого в стальной порошок, получаются и при восстановлении стального порошка, выделенного по [1], но без предварительного отжига отходов. В ходе отжига сначала горел желтый факел, а через некоторое время после его прекращения при температуре 750-800^оС загорался синий факел. При температуре порядка 1050^оС длина факела была максимальная.

Однако примеры 1 и 2 не исчерпывают возможности применения предложенного способа. В частности, данный способ применим и для переработки сухих отходов шлифования, взятых из циклонов (пример 3). Эти отходы отжигались под слоем инертной засыпки, так как несмотря на то, что они пылили, казались сухими, отжиг сопровождался горением желтого факела, всего выгорало в нем до 2% органики. Отожженные отходы имели к тому же более высокую магнитную восприимчивость и разделялись на импульсном магнитном сепараторе за два прохода до глубины 98%. Затем концентрат усреднялся и дробился в шаровой мельнице до возрастания его плотности утряски в 3 раза. После смешивания с углеродом он загружался в капсулы при различном содержании углерода.

Результаты приведены в табл.3.

Отходы отжигались в капсуле высотой 360 мм, диаметром 150 мм.

Оптимальное количество углерода, необходимое для довосстановления этих металлоотходов, 6%. Полученные при этом спеки переплавлялись в индукционной печи. Отливки соответствовали стали марки Р6М5.

П р и м е р 4. Перерабатывались металлоотходы, выделенные из шлифовального шлама, взятые непосредственно из-под станка. Они содержали после сушки до 2% органики. Затем они дробились и подвергались магнитной сепарации. Концентрат содержал 97% стали марки Р6М5 и 2% органических веществ. После отжига при 1100^оС концентрата с введенным в него дополнительным углеродом были получены следующие результаты, представленные в табл.4.

Номера столбиков соответствуют обозначениям табл.1-3.

Следовательно, оптимальное количество дополнительного углерода в этом случае 0-0,5%. В этом случае брикеты имели плотность 5 г/см³ (некоторые из них, когда порошок спекали в бумажных трубках диаметром 30 мм, имели плотность 6,9 г/см³). Эти брикеты не разбивались при ударе их о бетонный пол с высоты 2 м. Брикеты с 2-3% дополнительного углерода в аналогичном испытании разбивались на куски и отдельные частицы порошка. Высота капсул была 360 мм, диаметр - 150 мм.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить максимальную прочность спеков при наименьшей температуре с восстановлением порошков без их науглероживания, но с возможностью размола спеков, чтобы использовать дисперсные металлоотходы либо для переплава в виде спеков, либо в порошковой металлургии в виде порошка, т. е. спеки можно продавать как конечный продукт. В этом смысле способы получения и брикетирования стального порошка за счет его спекания совпадают. Переплаву подвергаются спеки, содержащие трудновосстанавливаемые легирующие элементы, например хром.

Следует подчеркнуть, что для спекания с возможностью размола спеков можно использовать печи с нихромовыми нагревателями и капсулы, выполненные из стали марки Х25Н13 или из сталей, близких к ней по составу легирующих элементов.

Введение в часть металлоотходов перед загрузкой в капсулы различного количества углерода с последующим отжигом при температурах выделения их слоя оксида углерода, с определением по окончании этого выделения убыли массы металлоотходов в зависимости от количества введенного углерода и предельного количества его, при котором убыль массы прекращается, и ввод этого количества углерода в остальную часть металлоотходов обеспечивает в ходе последующего отжига их полное восстановление без науглероживания металла и, как следствие, прочные спеки, полученные в ходе этого отжига, при сравнительно низких температурах и дешевом, доступном оборудовании.

Введение органических дисперсных материалов - древесных опилок непосредственно в слой инертной засыпки, а также над и под слоем металлоотходов обеспечивает создание защитной атмосферы при разогреве и охлаждении капсул с металлоотходами, предотвращая дополнительное их окисление в эти периоды. Полученный при этом древесный уголь используется для довосстановления дисперсных металлоотходов.

Формула изобретения

СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛООТХОДОВ, включающий обезвоживание, удаление масел, термическую обработку шлама, измельчение и магнитную сепарацию, отличающийся тем, что термическую обработку шлама осуществляют отжигом в капсуле под слоем инертной засыпки путем нагрева под факелом, после магнитной сепарации часть полученного металлического порошка разделяют на порции, в каждую порцию вводят различное количество углерода и проводят восстановительный отжиг путем послойной загрузки порций смеси и нагрева до прекращения выделения оксида углерода с определением по убыли массы каждого отожженного слоя предельного количества углерода, при котором убыль массы становится величиной постоянной, а затем его предельное количество углерода вводят в оставшуюся часть металлоотходов, причем восстановительный отжиг ведут в капсулах под слоем инертного материала и древесных опилок.