Способ переработки маслосодержащих брикетов стружки активных тугоплавких металлов и сплавов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области металлургии активных тугоплавких металлов и сплавов, включая редкие, редкоземельные и актиноиды, в частности к способам переработки маслосодержащих брикетов стружки вышеуказанных металлов и сплавов и устройствам для их осуществления. Предложен способ, включающий загрузку брикетов в установленный в нагревательной печи плавильный тигель, герметизацию и вакуумирование системы, выплавку слитка, при этом перед выплавкой слитка производят удаление масла и влаги из брикетов путем повышения температуры нагрева в интервале 200-600°С со скоростью 5-15°С/мин в течение 2-2,5 часов при поддержании давления отходящих паров и газов не более 2000 Па, при этом натекание вентилирующего газа 130-400 Па/мин осуществляют до начала плавления металла. Устройство содержит помещенный в печь нагрева плавильный тигель, систему вакуумирования, конденсатор, при этом оно содержит связанные между собой трубопроводами конструктивно выделенный из объема печи рабочий объем плавильного узла в виде изолированной полости оснастки, систему газоотсоса паров масла и влаги из тигля, систему аварийного напуска инертного газа, систему подсоса вентилирующего газа. Технический результат - повышение пожаро- и взрывобезопасности процесса, эффективности работы вакуумной системы, производительности процесса. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии активных тугоплавких металлов и сплавов, включая редкие, редкоземельные и актиниды, в частности к способам переработки маслосодержащих брикетов стружки вышеуказанных металлов, сплавов (отходов) и устройствам для их осуществления.

В настоящее время на предприятиях России находится на хранении значительное количество брикетированной стружки активных тугоплавких металлов и сплавов, загрязненной индустриальным маслом и водой (компоненты СОЖ). Эти сопутствующие загрязнения не позволяют безопасно и без осложнений проводить переплав вышеуказанной стружки в слиток по известным технологиям.

Наличие большого количества масла и влаги в брикетированной стружке приводит при ее переплаве в вакуумной индукционной печи к осаждению масляного конденсата на водоохлаждаемых элементах печи, к образованию в рабочем объеме печи углеводородных газов и водорода, что значительно увеличивает пожаро- и взрывоопасность процесса плавки, снижает качество переплавленного металла, вследствие повторного попадания масляного конденсата на раскаленный или расплавленный металл, а также снижает эффективность работы вакуумной системы печи из-за попадания жидких фракций масла и воды в вакуумную систему.

Длительное хранение маслосодержащей сбрикетированной стружки активных тугоплавких металлов и сплавов нецелесообразно из-за ее пирофорности и способности выделять водород при комнатной температуре.

Известен способ переработки маслосодержащей стружки из циркония и его сплавов, включающий эмульсионную очистку, промывку холодной водой, щелочную очистку, промывку холодной водой, травление соляной кислотой, промывку холодной водой, щелочную очистку, промывку холодной водой, травление азотной кислотой, промывку холодной водой, промывку горячей водой, сушку горячим воздухом с последующей выплавкой слитка /Металлургия циркония. Под ред. Г.А.Меерсона, М.: ИЛ, 1959, с.157/.

Известный способ применяется для переработки небрикетированной "сыпучей" стружки из циркония и его сплавов, которая достаточно хорошо промывается обезжиривающими и травильными растворами и легко высушивается горячим воздухом.

Известный способ не может быть использован для переработки маслосодержащей сбрикетированной стружки, т.к. неоднородность стружечного брикета по гранулометрическому и химсоставу, степени уплотнения не позволяет полностью удалять из него масло и влагу при обработке обезжиривающими и травильными растворами. Так, даже при 10-кратной циркуляции обезжиривающего раствора через слой сбрикетированной стружки при Т:Ж=1:(1-3) доля удаленного масла не превышает 20-25% от исходного его содержания в брикете.

Кроме того, известный способ отличается низкой производительностью и высокими затратами на проведение процесса удаления масла и влаги с поверхности стружки.

Повышение эффективности отмывки сбрикетированной стружки от масла может быть достигнуто при дроблении брикетированной стружки на более мелкие части с целью улучшения контакта поверхности стружки с обезжиривающими и травильными растворами. Однако это приведет к дополнительным затратам, снижению производительности, усложнению аппаратурного оформления процесса и повышению пожаро- и взрывоопасноcти процесса вследствие повышения реакционной способности мелкодисперсных частиц активных тугоплавких металлов и их гидридов.

Известен способ переработки маслосодержащей стружки из циркония и его сплавов, включающий погружение в раствор трихлорэтилена и многократное перемешивание стружки, сушку воздухом, травление в растворах различных кислот, промывку холодной водой, сушку на воздухе с последующей выплавкой слитка /Металлургия циркония. Под ред. Г.А.Меерсона, М.: ИЛ, 1959, с.157/.

Известный способ не может быть использован для переработки сбрикетированной стружки из-за того, что масло задерживается в плотных пучках стружки. Кроме того, известный способ отличается низкой производительностью, большими затратами на проведение процесса, низкой экологичностью и низким качеством получаемого металла в слитке из-за загрязнения его углеродом.

Известен способ подготовки к плавке стружки алюминиевых сплавов, включающий измельчение, двухстадийную сушку в вакууме, причем на первой ступени - при 50-80°С и остаточном давлении -200-400 мм рт. ст., а на второй - при 100-180°С и остаточном давлении -10-30 мм рт. ст. с последующим грохочением и магнитной сепарацией. /А.с. №478885, С 22 В 7/00. Способ подготовки к плавке стружки алюминиевых сплавов, 1975 г./ Известный способ не может быть использован для переработки сбрикетированной стружки тугоплавких металлов и сплавов из-за того, что масло задерживается в плотных пучках стружки. Кроме того, известный способ отличается низкой производительностью, большими затратами на проведение процесса, вызванными применением дополнительных операций вибрации, грохочения и магнитной сепарации.

Известна вакуумная установка прямого получения металлов, содержащая реактор, в котором установлена по крайней мере одна сетка, полости под и над сеткой, связанные соответственно с нагнетательным и вакуумным устройствами, нагревательное устройство, конденсатор летучих газов, патрубки реактора с регулирующими органами подачи и разгрузки соответственно сырья и отходов и блок управления установкой. Причем установка содержит основную и дополнительную заслонки, связанные с блоком управления, а конденсатор летучих газов сообщен трубопроводом с полостью под сеткой /заявка №94001969, С 22 В 5/00, F 27 B 15/00. Вакуумная установка прямого получения металлов, опубл. 27.02.97. Бюл. №61/.

Известная установка позволяет перерабатывать чистые металлические отходы с накоплением расплавленных металлов и сливом их в изложницы, а также удалять из реактора в конденсатор летучие газы, образующиеся при расплавлении металлов.

Однако недостатками данной установки является то, что она не позволяет перерабатывать маслосодержащие брикеты стружки тугоплавких металлов и сплавов из-за невозможности обеспечения пожаро- и взрывобезопасности процесса в условиях образования в зоне нагрева углеводородных газов и водорода.

Известен способ испарения заданных компонентов из первоначальных многокомпонентных смесей или систем при давлении ниже атмосферного в вакуумной камере, включающий размещение в ней отдельных порций многокомпонентной смеси или многокомпонентной системы в несколько ярусов в кольцевых тиглях для отвода паров соответствующего кипящего при более низкой температуре компонента или компонентов через, по меньшей мере, одно отверстие для отвода паров, при этом кольцевые тигли нагревают в течение времени, необходимого для получения, по меньшей мере, одного из заданных компонентов многокомпонентной смеси или многокомпонентной системы с максимально возможной чистотой. Устройство для его осуществления включает вакуумную камеру и кожух печи, в котором в несколько ярусов расположены кольцевые тигли, имеющие, по меньшей мере, одно отверстие для отвода паров, и трубу для отвода паров /Патент РФ №2187565, С 22 В 9/04, F 27 B 14/04. Способ и устройство для испарения компонентов из многокомпонентных смесей и многокомпонентных систем, 2002 г. Бюл №23/.

Известные способ и устройство позволяют частично испарять масло и влагу из чистых металлических отходов. Однако недостатками известных способа и устройства является то, что они не позволяют перерабатывать маслосодержащие брикеты стружки тугоплавких металлов и сплавов из-за невозможности обеспечения взрыво- и пожаробезопасности процесса в условиях образования в зоне нагрева углеводородных газов и водорода.

Ближайшим аналогом для предложенной группы изобретений является Г.А.Меерсон, Металлургия циркония, М.: Издательство иностранной литературы, 1959, с.148-150, 156-157, в котором описаны способ переработки маслосодержащих брикетов стружки активных тугоплавких металлов и сплавов и устройство для его осуществления.

Недостатками известного аналога являются:

1. При выплавке слитка из маслосодержащих брикетов стружки происходит образование углеводородных газов и водорода, которые резко снижают пожаро- и взрывобезопасность процесса плавки.

2. При нагревании маслосодержащих брикетов стружки значительное количество масла и влаги из брикетов конденсируется на крышке печи и других водоохлаждаемых элементов установки, с поверхности которых они могут повторно попадать на раскаленный или расплавленный металл, что может привести к снижению качества металла слитка.

3. Продукты термического разложения и окисления масла, а также жидкие фракции масла накапливаются в вакуумной системе, что снижает эффективность работы вакуумной установки.

4. Предварительное удаление масла и влаги из брикетов стружки требует значительных трудозатрат и затрат на материалы и энергоносители и отличается низкой производительностью процесса.

5. Данное устройство не позволяет перерабатывать маслосодержащие брикеты стружки из-за невозможности обеспечения пожаро- и взрывобезопасности процесса в условиях образования в зоне нагрева углеводородных газов и водорода.

6. Данное устройство не исключает загрязнения вакуумной системы продуктами термического разложения и окисления масла, что снижает эффективность работы вакуумной системы и снижает качество металла слитка.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение пожаро- и взрывобезопасности процесса, на повышение эффективности работы вакуумной системы, на снижение трудо- и материальных затрат, на повышение производительности процесса.

Указанная задача решается следующим образом.

1. В отличие от известного способа переработки брикетов активных тугоплавких металлов и сплавов, включающего загрузку брикетов в установленный в нагревательной печи плавильный тигель, герметизацию и вакуумирование системы и выплавку слитка, по заявляемому техническому решению перед выплавкой слитка производят удаление масла и влаги из брикетов путем повышения температуры в интервале 200-600°С со скоростью 5-15°С/мин в течение 2-2,5 часов, при поддержании давления отходящих паров и газов не более 2000 Па, при этом натекание вентилирующего газа 130-400 Па/мин осуществляется до начала плавления металла.

2. В отличие от известного устройства для переработки брикетов стружки активных тугоплавких металлов и сплавов, содержащего помещенный в печь нагрева плавильный тигель, изложницу, систему вакуумирования и конденсатор, по заявляемому техническому решению оно содержит связанные между собой трубопроводами конструктивно выделенный из объема печи рабочий объем плавильного узла в виде изолированной полости оснастки, систему газоотсоса паров масла и влаги из тигля, систему аварийного напуска инертного газа, систему подсоса вентилирующего газа.

3. Кроме того, по заявляемому техническому решению в системе подсоса вентилирующего газа используют инертный газ или воздух.

4. Кроме того, по заявляемому техническому решению система газоотсоса, содержащая связанные между собой трубопроводами вынесенный за пределы печи конденсатор паров и влаги, датчики давления, ловушку, затвор, обратный клапан, блок вакуумных насосов и вентиляторов может быть подключена к полости плавильного тигля через установленную в его верхней части насадку, закрытую крышкой.

5. При этом по заявляемому техническому решению крышка может быть снабжена заслонкой с каналами для вентиляции рабочего объема тигля.

6. К тому же заявляемое устройство может быть дополнительно снабжено зонтом, установленным над предохранительным клапаном печи.

7. Решение поставленной задачи может быть достигнуто также в результате того, что система газоотсоса в заявляемом устройстве содержит дополнительно насадку-смеситель, установленную между вакуумным насосом и вентилятором и связанную с ними трубопроводами.

При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения.

Таким образом, заявляемое техническое решение по результатам анализа уровня техники является неизвестным и соответствует критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что не выявлено технических решений, которые полностью содержат все заявляемые существенные признаки.

Известны технические решения, которые частично содержат некоторые существенные признаки заявляемого решения. Так, известно испарение компонентов в вакууме и улавливание их в конденсаторе, при этом конденсатор летучих газов сообщен трубопроводом с полостью нагревательного устройства, известно применение заслонки /Патент РФ №2187565, С 22 В 9/04, F 27 B 14/04, 2000 г., заявка №94001969, С 22 В 5/00, F 27 B 15/00, 1997 г./.

Однако в заявляемом техническом решении только сочетание известных и неизвестных существенных признаков позволяет получить новый положительный эффект, заключающийся в возможности переработки маслосодержащих брикетов стружки активных тугоплавких металлов и сплавов (отходов) металлургическим путем за один цикл загрузки брикетов в печь без необходимости предварительной их очистки от масла вне печи при обеспечении высокого уровня пожаро- и взрывобезопасности процесса с получением в итоге товарной продукции (слитков металлов).

Заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.к. для выявления сложных зависимостей между существенными признаками заявляемого решения, с одной стороны, и пожаро- и взрывобезопасностью процесса, эффективностью работы вакуумной системы, трудо- и материальными затратами и производительностью процесса, с другой стороны, а также для оптимизации выявленных зависимостей требуется проведение значительного количества сложных экспериментов.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".

В зависимости от содержания масла в исходных брикетах с 1 кг стружки при нормальных условиях выделяется 1-2,5 дм³ водорода. Наличие в заявляемом устройстве системы газоотсоса из плавильного тигля позволяет удалять из брикетов стружки до 99,9% масла при температуре 200-600°С и выводить его в конденсатор. При этом конструкция устройства предотвращает выход значительного количества масла в объем печи. Концентрация водорода в выхлопных газах снижается в смесительной насадке блока насоса и вентилятора с 60-85% (об.) до безопасного уровня (0,01-0,05% об.), что значительно повышает пожаро- и взрывобезопасность процесса. Остальное в виде низкомолекулярного пирогаза удаляется также вакуумными насосами через соответствующие насадки-смесители. Конструкция конденсатора обеспечивает полное улавливание капельно-дисперсных частиц из газового потока. Поэтому попадания жидких фракций масла в вакуумные насосы не происходит, что повышает эффективность работы вакуумной системы. Наличие в заявляемом устройстве системы аварийного напуска инертного газа и насадок-смесителей позволяет в аварийных ситуациях быстро заполнить рабочий объем печи инертным газом и исключить возможность появления взрывов и "хлопков", что дополнительно повышает пожаро- и взрывобезопасность процесса.

Совмещение в одной установке двух процессов: отгонки масла и воды из брикетов стружки активных тугоплавких металлов и сплавов и выплавки слитка позволяет значительно повысить производительность процесса получения слитка из брикетированной стружки, не ухудшая при этом качество металлической основы стружки.

Заявленные параметры процесса удаления масла и влаги из брикетов стружки, а именно: интервал температур - 200-600°С, скорость нагрева - 5-15°С/мин, время удаления продуктов разложения масла в течение 2-2,5 часов, давление отходящих паров и газов - не более 2000 Па и натекание вентилирующего газа 130-400 Па/мин, осуществляемое до начала плавления металла, обеспечивают оптимальные условия удаления масла из брикетированной стружки активных тугоплавких металлов и сплавов и выведения продуктов его разложения из рабочего объема печи.

Наличие в заявляемом устройстве зонта над предохранительным клапаном печи позволяет повысить безопасность ее работы в аварийной ситуации за счет эффективного смешивания водорода, выпускаемого через предохранительный клапан, с воздухом в безопасных концентрациях.

Отсутствие в заявляемом решении обезжиривающих и травильных растворов, промывной воды, сушки горячим воздухом в процессе удаления масла из брикетированной стружки, высокая производительность процесса позволяют значительно снизить трудо- и материальные затраты.

На фиг.1 схематично представлено заявляемое устройство.

На фиг.2 изображена в сечении конструкция плавильного узла.

На фиг.3 дано сечение насадки-смесителя.

В соответствии с описанием устройства на ОАО ЧМЗ была создана установка по переработке брикетированной стружки.

Описание устройства

Заявляемое устройство состоит из индукционной вакуумной печи (1), внутри которой установлен плавильный тигель (2). На верхней части корпуса тигля закреплена надставка (3), закрытая изолирующей крышкой (4) с заглушкой смотрового отверстия (не показано), образуя своеобразный колпак для первичного сбора и эвакуации выделяющихся паров и газов. При необходимости (например, для введения в тигель пробойника или для подсоса через крышку тигля" натекающего" воздуха или инертного газа) заглушка смотрового отверстия в крышке (4) может быть заменена заслонкой с вентиляционными каналами, которая прикрывает смотровое отверстие в крышке тигля на время отгонки масла. Для газоотсоса с корпусом печи (1) соединен патрубок (5), через который проводится вакуумирование внутренней полости оснастки, а также отвод водорода, паров воды и масла. Стыковка патрубка (5) с надставкой (3) осуществляется через переходник (6). Герметизация стыков патрубка, переходника и надставки осуществляется за счет уплотнений из каолиновой ваты, поджатых гайкой (не показано). Для обеспечения оптимальных параметров и безопасности процесса на этапе отгонки воды и масла из брикетов стружки (а также в аварийных ситуациях) заявляемое устройство снабжено системой вакуумирования и заполнения рабочего объема печи инертным газом, которая включает следующие элементы:

1. Рампа газовая шестиместная (7), предназначенная для понижения давления инертного газа до 5·10⁵ Па при помощи редуктора (не показан). При нормальной работе заявляемого устройства используют 1 баллон газа (7), остальные баллоны должны быть полными и в готовности к экстренному заполнению рабочего объема печи (1) инертным газом при возникновении аварийной ситуации.

2. Узел подготовки газа (8) предназначен для улавливания капельной влаги из инертного газа, поступающего из баллонов, и для дальнейшего понижения давления инертного газа до 1,15·10⁵ Па. Падение давления на входе в печь регулируется с помощью реле давления (настройка 3·10⁵ Па) (не показано). Аварийное заполнение рабочего объема печи инертным газом до давления 1,15·10⁵ Па (абсолютное) и непрерывная подача инертного газа при этом давлении с расходом 30 м³/ч обеспечиваются в узле подготовки газа (8) путем установки шести баллонных редукторов (не показаны), запитанных параллельно. Расчетное время заполнения рабочего объема печи инертным газом при полной загрузке в нее брикетов стружки составляет 8 мин. Для предохранения от повышенного давления узел подготовки газа (8) снабжен предохранительным клапаном (не показан) с настройкой на давление 1,2·10⁵ Па.

3. Натекатель (9) предназначен для создания относительно слабого тока газа в рабочем объеме печи, исключающего прорыв летучих фракций масла из внутренней полости оснастки в реторту печи и их конденсацию на водоохлаждаемых поверхностях оборудования. При этом осуществляется также вентиляция внутри полости оснастки. Регулировка потока инертного газа осуществляется в интервале 50-150 дм³ Па/с. Обычно давление в рабочем объеме печи поднимается за счет напуска вентилирующего газа на величину 130 Па (1 мм рт. ст.).

4. Конденсатор (10) служит для охлаждения парогазовой струи, выходящей из плавильного тигля печи, для конденсации паров масла и улавливания образующихся капель в межтрубном пространстве (движение потока сверху вниз). Теплообмен в конденсаторе происходит как на боковой поверхности, снабженной рубашкой охлаждения, так и на крышке конденсатора, которая выполнена как одно целое с пучком труб, по которым циркулирует вода. Нижняя съемная часть корпуса конденсатора служит бачком для сбора конденсата. Такая конструкция конденсатора позволяет полностью выделить капельный унос масла из парогазового потока и легко разбирать его для очистки от загрязнений. Для контроля за давлением на входном патрубке в конденсатор и в печи установлены датчики абсолютного давления.

5. Ловушка (12) выполнена в виде расширительной емкости. Предназначена для дополнительного улавливания капель конденсата в случае, если персоналом допущен их пропуск через конденсатор.

6. Блок вакуумного насоса (13) и блок резервного насоса (14) предназначены для эффективного вакуумирования печи и удаления выделяющихся газов. Для безопасного смешивания "выхлопа" из вакуумных насосов с воздухом эти блоки снабжены специальными насадками-смесителями (15). Расход воздуха через насадку-смеситель определяется ее диафрагмой и работой вентилятора (16), который обеспечивает подачу воздуха в насадку-смеситель в количестве, необходимом для образования в ней воздушно-водородной смеси взрыво-безопасной концентрации. Скорость течения газа в воздуховодах контролируется и должна быть не менее 2 м/с.

Для исключения попадания масла и воздуха в рабочий объем печи при внезапной остановке вакуумных насосов (13, 14) каждый насос снабжен обратным клапаном (17).

Для повышения технологических возможностей вакуумной системы тракты вакуумных насосов (13) и (14) соединены дополнительной линией с затвором (18).

7. Зонт (19) служит для отвода смеси газов, выбрасываемых из рабочего объема печи через аварийный клапан.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В установленный в нагревательной печи (1) плавильный тигель (2) загружают маслосодержащие брикеты стружки. Печь герметизируют и включают вакуумный насос (13). По достижении в рабочем объеме печи давления 130-400 Па открывают кран на газовом баллоне (7) с инертным газом или воздухом. Газ через узел подготовки газа (8) и натекатель (9) подается в рабочий объем печи (1) для исключения прорыва паров масла и влаги из внутренней полости надставки (3) в рабочий объем печи (1). Проводят нагрев брикетов стружки. Пары влаги и масла, выделяющиеся из брикетов стружки, поднимаются из плавильного тигля (2) в насадку (3), из которой через переходник (6) и патрубок (5) попадают в конденсатор (10).

Контроль давления отходящих паров осуществляют датчиком (11). Очищенные от масла и влаги газы из конденсатора(10), через ловушку (12), через затвор (18), обратный клапан (17), вакуумный насос (13) или (14) выбрасываются через насадку-смеситель (15) вентилятором (16) в атмосферу. Концентрация водорода в воздушно-водородной смеси на выходе из вентилятора (16) является безопасной и составляет 0,01-0,05 об.%. Очищенные от влаги и масла брикеты стружки нагревают до температуры плавления и выплавляют слиток.

По окончании работы заявляемого устройства отключают нагрев печи (1), отключают вакуумный насос (13), закрывают кран на газовом баллоне (7).

При аварийной ситуации в системе заполнения рабочего объема печи инертным газом одновременно работают 6 газовых баллонов (7) инертного газа.

Для проверки заявляемого технического решения проводили следующую работу. Перерабатывали маслосодержащие брикеты стружки циркониевого сплава Э110.

По прототипу в вакуумную индукционную печь загружали маслосодержащий брикет стружки циркониевого сплава Э110, проводили герметизацию печи, ее вакуумирование и осуществляли нагрев брикета на штатных режимах выплавки сплава Э110.

При нагреве брикета стружки с повышением температуры из него начали выделяться пары влаги и масла, которые осаждались на водоохлаждаемые части печи, а концентрация водорода в газовой смеси на "выхлопе" из вакуумного насоса резко возрастала до взрывоопасной концентрации. В этом случае нагрев прекращали и делали выдержку до достижения на "выхлопе" взрывобезопасной концентрации водорода. После этого нагрев снова возобновляли и продолжали циклы включения и выключения нагрева до максимально возможного уровня удаления влаги и масла из брикета. Затем осуществляли выплавку слитка по штатным режимам. При выплавке слитка наблюдали "хлопки", т.е. резкое (скачкообразное) возрастание давления в реторте печи, связанное с попаданием масляного конденсата на поверхность раскаленного или расплавленного металла.

По заявляемому техническому решению работу проводили на опытной установке. В установку загружали маслосодержащий брикет стружки сплава Э110 и проводили процесс удаления влаги и масла из брикета и последующую выплавку слитка на штатных режимах.

При этом варьировали параметры процесса:

- температура нагрева: 180, 200, 400, 600, 625°С;

- скорость нагрева брикетов: 3; 5; 10; 15; 18°С/мин;

- давление отходящих паров и газов: 2100; 2000; 1800 Па;

- продолжительность нагрева: 1,5; 2; 2,5; 3 часа.

- натекание вентилирующего газа: 66, 130, 266, 400, 465 Па/мин.

В ходе проведения данной работы определяли концентрацию водорода на "выхлопе" из вакуумного насоса, наличие проскока жидких фракций масла в вакуумный насос, материальные и трудозатраты, а также производительность процесса по известным методикам. Результаты исследований представлены в таблице.

Анализ результатов, приведенных в таблице, показывает, что заявляемые способ и устройство отличаются от прототипа более высокой пожаро-, взрывобезопасностью процесса (отсутствие "хлопков" при выплавке слитка и безопасная концентрация водорода на выхлопе из вакуумного насоса 0,01-0,05 об.% у заявляемого решения и наличие "хлопков" в процессе выплавки слитка и опасная концентрация водорода на "выхлопе" из вакуумного насоса 80,7 об.% у прототипа), более высокой эффективностью работы вакуумной системы (отсутствие проскока жидкой фракции масла в вакуумный насос у заявляемого решения и наличие проскока жидкой фракции масла в вакуумный насос у прототипа, что объясняется, в частности, разложением и осмолением масла в этом случае), более высокой производительностью, более низкими материальными и трудозатратами (130,7-131,2%, 82,1-82,3% и 86,4-86,9% соответственно у заявляемого решения, 100%, 100%, 100% соответственно у прототипа и 66,8%, 110,2% и 124,5% соответственно у аналога).

Оптимальными параметрами процесса удаления масла из брикетов стружки являются следующие:

- температура 200-600°С (опыты №№4-6, 24-29);

- скорость повышения температуры 5-15°С/мин (опыты №№4-6, 9-11, 24-29);

- давление отходящих паров и газов не более 2000 Па (15 мм рт. ст.) (опыты №№13, 24-29);

- продолжительность процесса удаления масла 2-2,5 часов (опыты №№4-14, 16, 17, 24-29);

- натекание вентилирующего газа 130-400 Па/мин (опыты №№20-22, 24-29);

- продолжительность натекания вентилирующего газа - до начала плавления металла.

Уменьшение температуры нагрева брикетов менее 200°С (опыт №3) приводит к неполному удалению масла из брикетов стружки и уменьшению выхода металла в слиток.

Увеличение температуры нагрева брикетов более 600°С (опыт №7) приводит к неоправданному увеличению энергозатрат, т.к. температура 600°С является предельной для отгонки масла. И при этой температуре отгоняются практически все фракции масла и можно переходить к осуществлению процесса плавки металла.

Уменьшение скорости нагрева брикетов менее 5°С/мин (опыт №8) приводит к неоправданному затягиванию процесса и увеличению энергозатрат.

Увеличение скорости нагрева брикетов более 15°С/мин (опыт №12) приводит к значительному повышению концентрации водорода на "выхлопе" вакуумного насоса в связи с перегревом масла и его разложением.

Увеличение давления отходящих паров и газов более 2000 Па (15 мм рт. ст.) (опыт №14) приводит к значительному повышению концентрации водорода на "выхлопе" вакуумного насоса и в печи. При аварийной разгерметизации печи в этом случае не обеспечивается достижение концентраций водорода и углеводородов ниже уровня концентрации предела взрываемости.

Уменьшение продолжительности нагрева брикетов менее 2 часов (опыт №15) приводит к неполному удалению масла из брикета и уменьшению выхода металла в слиток.

Увеличение продолжительности нагрева брикетов более 2,5 часов (опыт №18) приводит к значительному повышению энергозатрат без существенного улучшения полноты удаления масла из брикетов стружки. При натекании вентилирующего газа менее 130 Па/мин, и времени натекания менее, чем требуется до начала плавления металла (опыт №19) заметен проскок жидких фракций масла в объем печи, и масло, разлагаясь на графитовой оснастке печи, дает дополнительный объем водородсодержащего газа. При натекании вентилирующего газа выше 400 Па/мин (опыт №23) возможен проскок жидких фракций масла в вакуумные насосы, растет величина остаточного давления в печи, что неблагоприятно отражается на окисляемости металла.

По заявляемому техническому решению на ОАО ЧМЗ создана установка ПБС по переработке брикетированной стружки и проведены ее промышленные испытания. Испытания установки ПБС показали ее эффективность, надежность работы ее отдельных узлов и высокое качество выплавленного в слиток металла. Полученный металл пригоден для долгосрочного и безопасного хранения или может быть переработан в товарную продукцию в соответствии с требованиями заказчика.

Формула изобретения

1. Способ переработки маслосодержащих брикетов стружки активных тугоплавких металлов и сплавов, включающий загрузку брикетов в установленный в нагревательной печи плавильный тигель, герметизацию и вакуумирование системы, выплавку слитка, отличающийся тем, что перед выплавкой слитка производят удаление масла и влаги из брикетов путем повышения температуры нагрева в интервале 200-600°С со скоростью 5-15°С/мин в течение 2-2,5 ч при поддержании давления отходящих паров и газов не более 2000 Па, при этом натекание вентилирующего газа 130-400 Па/мин осуществляют до начала плавления металла.

2. Устройство для переработки маслосодержащих брикетов стружки активных тугоплавких металлов и сплавов, содержащее помещенный в печь нагрева плавильный тигель, систему вакуумирования, конденсатор, отличающееся тем, что оно содержит связанные между собой трубопроводами конструктивно выделенный из объема печи рабочий объем плавильного узла в виде изолированной полости оснастки, систему газоотсоса паров масла и влаги из тигля, систему аварийного напуска инертного газа, систему подсоса вентилирующего газа.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в системе подсоса вентилирующего газа использован инертный газ или воздух.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система газоотсоса содержит связанные между собой трубопроводами вынесенный за пределы печи конденсатор паров и влаги, датчики давления, ловушку, затвор, обратный клапан, блок вакуумных насосов и вентиляторов и подключена к полости плавильного тигля через установленную в его верхней части насадку, закрытую крышкой.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что крышка снабжена заслонкой с каналами для вентиляции рабочего объема тигля.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит зонт, установленный над предохранительным клапаном печи.

7. Устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что система газоотсоса содержит дополнительно насадку-смеситель, установленную между вакуумным насосом и вентилятором и связанную с ними трубопроводами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6