Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №88 (декабрь) 2020
Разделы: Машиностроение, Техника, Экология, Управление инновациями
Размещена 13.12.2020. Последняя правка: 16.12.2020.
Просмотров - 379

Исследование возможности использования металлосодержащей пыли аспирационных установок в качестве вторичного сырья литейно-плавильного производства

Дубовец Денис Леонидович

-

ОАО "Управляющая компания холдинга "МИНСКИЙ МОТОРНЫЙ ЗАВОД"

Инженер по охране окружающей среды 2 категории

Аннотация:
В приведенной работе предлагается технологическое решение по переработке металлосодержащей пыли, образующейся при очистке газовоздушных выбросов в аспирационных установках. Проводится экспериментальное исследование по возможности реализации предлагаемого метода на практике.


Abstract:
In this paper, we propose a technological solution for the processing of metal-containing dust formed during the cleaning of gas-air emissions in aspiration plants. An experimental study is being conducted on the possibility of implementing the proposed method in practice.


Ключевые слова:
металлосодержащая пыль; переработка отходов; сепарация; брикетирование; прессование

Keywords:
metal-containing dust; waste processing; separation; briquetting; pressing


УДК 658.567.1

Целью представленной работы, является поиск и предложение предприятиям (в первую очередь машиностроительным) наиболее рационального способа утилизации металлосодержащей аспирационной пыли.

Для достижения поставленной цели, при написании работы были решены следующие задачи:

– изучены основные технологические операции, приводящие к загрязнению воздуха металлосодержащей пылью;

– рассмотрены методы обращения с металлосодержащей аспирационной пылью, в Республике Беларусь;

– проведен отбор пробы металлосодержащей пыли, образовавшейся после очистки газовоздушных выбросов. Исследован химический состав отобранного образца;

– составлен технологический процесс переработки металлосодержащей пыли;

– проверен предлагаемый технологический процесс переработки отхода в лабораторных условиях.

Актуальность приведенной работы, заключается в разработке и предложении субъектам хозяйствования технологического решения, позволяющего преобразовать образующиеся у них отходы в ценное вторичное сырье.

Введение 

Дробеструйная обработка, шлифование, резка и ряд других производственных операций, совершаемых над металлами, неизбежно приводят к выделению в воздух рабочей зоны твердых частиц металлического и минерального происхождения. Выделяемые твердые вещества, относятся к вредному производственному фактору и при длительном воздействии на организмы работников, способны вызывать тяжелые заболевания.

Для пресечения вредного воздействия загрязняющих веществ на здоровье работающего персонала, образующийся аэрозоль, как правило, удаляется из рабочих зоны посредством вытяжных вентиляционных систем и перед выбросом в атмосферный воздух, подвергается очистке в аспирационных установках.

Наиболее распространенными аспирационными установками, эксплуатируемыми на предприятиях металлообработки в настоящее время, являются циклоны, электрофильтры, рукавные фильтры, пылеосадительные камеры.

Исходя из сложившейся практики, из-за сложно-компонентного состава, улавливаемая в аспирационных установках пыль не находит применения по месту своего образования и переводиться в разряд отходов. В этом случае, перед субъектом хозяйствования, являющимся собственником таких отходов, возникает обязанность по соблюдению требований законодательства в области обращения с отходами.

В соответствии с общегосударственным классификатором отходов, образующихся в Республике Беларусь «ОКРБ 021-2019», образующаяся на предприятиях металлосодержащая аспирационная пыль, классифицируется как «Пыль циклонов» (код отхода:3510103, третий класс опасности) и «Шлам газоочистки» (код отхода: 3166000, третий класс опасности). В связи с отсутствием действующих в Республике Беларусь объектов по использованию данных видов отходов, единственным способом обращения с ними, является захоронение на соответствующих полигонах, что является весьма нерациональным.

Отбор пробы отхода и анализ ее химического состава

Начальным этапом разработки технологического решения по переработке металлосодержащей пыли, является определение химического состава отхода. Для получения такой информации, был проведен отбор пробы исследуемого отхода и направлен на анализ в химико-аналитическую лабораторию.

Источником образования отхода и одновременно местом отбора пробы, явилось машиностроительное предприятие г. Минска. Отбор пробы осуществлялся из бункера-сборника уловленной пыли газоочистной установки «Циклон ЦН-15», осуществляющей очистку газовоздушных выбросов, отводимых от шлифовальных станков, на которых осуществляется обработка стальных заготовок. Масса отобранной пробы отхода составила 2,0 кг.

По результатам проведенного химико-аналитического исследования, был установлен следующий компонентный состав металлосодержащей пыли: металл – 70 %, абразив – 25 %, прочие компоненты – 5 %. Размер частиц улавливаемой пыли, по данным дисперсионного анализ составляет 100-2000 мкм. В ходе лабораторного исследования было установлено, что исследуемая пыль обладает высокой гигроскопичностью.

Предлагаемое технологическое решение по переработке отхода

Высокое содержание металла в отходах, дает возможность рассматривать его в качестве потенциального сырья для литейно-плавильного производства. Однако, малый размер частиц улавливаемой пыли характеризует высокие взрыво- и пожароопасные свойства отхода, а действующие нормативно-правовые акты Республики Беларусь, запрещают его непосредственное использование в качестве вторичного сырья в литейном производстве.

Справочно

В соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 2787–2019 «Металлы черные вторичные. Общие технические условия», в состав лома и отходов черных металлов, допускаемых к использованию в качестве вторичного сырья, должны входить материалы размером не менее 4 мм.

Для пресечения «не экологичного» метода утилизации отхода и вовлечения его в оборот в качестве вторичного сырья, предлагается проводить укрупнение образующихся отходов, путем приготовления металлических брикетов. Технология использования пыли, образующейся при металлообработке, может быть реализована по схеме, приведенной на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Принципиальная схема подготовки отходов

 

Магнитная сепарация

Металлосодержащая пыль, извлекаемая из бункера-сборника газоочистной установки, по ленточному конвейеру направляется в установку магнитной сепарации, где под действием магнитного поля, происходит разделение ферромагнитных материалов от диамагнитных. Применительно к рассматриваемой операции, в качестве оборудования может быть использован барабанный магнитный сепаратор.

В данном устройстве, разделяемый продукт, проходя по поверхности вращающегося барабанного сепаратора, попадает в мощное магнитное поле, создаваемое магнитной системой внутри сепаратора. При этом все ферромагнитные включения (стружка, пыль) притягиваются к рабочей поверхности сепаратора и двигаются по нему до момента выхода из зоны действия магнитного поля, находящегося в зоне отделенного от основного потока разделительной перегородкой. Немагнитная часть сепарируемого материала, двигаясь по касательной к поверхности барабана, переходит на следующую стадию транспортировки.

На этапе магнитной сепарации образуются два продукта:

– Металлическая пыль, основным компонентом которой является оксид железа Fe2O3 (98 %). Данный продукт направляется на следующую операцию технологического процесса, приведенного на рисунке 1.

– Минеральный порошок, основными компонентами которого являются диоксид кремния (SiO2), оксид алюминия (Al2O3), оксид магния (MgO), оксид кальция (CaO) и связующие компоненты, является готовым сырьем для производства асфальтобетонной смеси и силикатных изделий. После извлечения из магнитного сепаратора, минеральный порошок может быть направлен на склад хранения до последующего использования в собственном производстве или упаковки и реализации сторонней организации.

Приготовление брикетной смеси

Операция приготовления брикетной смеси, заключается в приготовлении однородной смеси металлической пыли со связующим материалом, способную принимать придаваемую форму и сохранять ее после снятия нагрузки формообразователя. Наиболее подходящим оборудованием для данной операции, являются лопастные смесители, представляющие собой стальные резервуары оснащенные валом с лопастями.

За счет вращения вала, в смеси создается центробежное вихревое движение, благодаря которому осуществляется равномерное смешивание компонентов в трех плоскостях.

В качестве связующего материала при изготовлении брикетов для металлургического производства, как правило применяется водный щелочной раствор силикатов натрия Na2O(SiO2)n и (или) калия K2O(SiO2)n (жидкое стекло), приготавливаемый из стекловидных сплавов щелочных силикатов в виде «силикатной глыбы», путем длительного растворения в воде с использованием механических мешалок активаторов или в автоклавах при повышенных давлениях и температуре.

Смешение металлической пыли и жидкого стекла происходит в соотношении 2:1. Образующаяся однородная вязкая суспензия имеет следующий состав: металл – 80 %, силикат натрия и калия – 16 %, абразив – 3 %, прочие компоненты – 1%.

Извлекаемый из смесителя продукт направляют на стадию брикетирования.

Брикетирование

В качестве оборудования данной стадии технологического процесса может быть использован гидравлический пресс стандарта RUF.

Принцип работы такого пресса основан на двойном сжатии сырья без нагрева. Первое сжатие происходит при относительно небольшом давлении, при этом исчезают все пустоты между частицами сырья и происходит предварительное формирование брикета. Второе (основное) сжатие происходит при большом давлении, которого достаточно, чтобы между частицами возникло молекулярное сцепление. Высокое давление приводит к повышению температуры сырья, что ускоряет процесс связывания компонентов жидкого стекла с металлической пылью.

Спрессованные цилиндрические брикеты направляются на заключительную стадию технологического процесса – сушку.

Сушка брикетов

Наиболее потходящим технологическим оборудованием данной стадии является тунельная сушильная установка, по конструкции представляющая собой сплошной прямолинейный канал с рельсовым путём, по которому навстречу теплоносителю перемещаются каретки с продуктами для сушки (брикетами).

Прямолинейный канал (или рабочая зона) используется для сушки продуктов в процессе их перемещения через зоны высоких температурных режимов сушилки.

Канал туннельной сушилки имеет три основные зоны: зону подготовки, зону сушки и зону охлаждения. Сперва в сушилке происходит досушка и подогрев брикета, затем тележки проходят через зону сушки, где высушиваемые материалы подвергаются воздействию высоких температур, после чего выходят в зону охлаждения. Вентилятор нагнетает воздух в сушилку в зоне охлаждения, а горячий воздух от остывающей продукции выводится в зону сушки.

Выходящие из туннельной сушилки брикеты, будут представлять собой готовый продукт, который может быть непосредственно использован для изготовления продукции в литейно-плавильном производстве или реализован в качестве вторичного сырья.

Проверка предлагаемой технологии на практике

Для оценки возможности использования предлагаемой технологии на практике, была предпринята попытка получения металлических брикетов в лабораторных условиях.

Для проведения эксперимента, был проведен повторный отбор пробы металлосодержащей пыли. Место отбора пробы совпадало с местом, описанным в первой части данной работы. Масса отобранного для исследования образца металлосодержащей пыли составила 1 кг. Последовательный ход эксперимента приведен ниже.

Магнитная сепарация

Для осуществления данной стадии лабораторного эксперимента, металлосодержащая пыль массой 1,0 кг была выложена ровным (тонким) слоем на полиэтиленовую пленку.

Для отделения металлических частиц от минеральных, ручным способом, над слоем отхода переменался постоянный магнит, предварительно закрытый полиэтиленовой пленкой. Упаковка магнита в пленку, позволило решить две задачи:

– пресечь загрязнение постоянного магнита;

– упростить способ отделения извлеченных металлических частиц от постоянного магнита.

Масса извлеченной на стадии магнитной сепарации металлической пыли составила 640 грамм. Весь извлеченный материал, был направлен на следующий этап лабораторного исследования.

Оставшаяся часть отхода массой 360 грамм, состоящая из минерального порошка, не использовалась в дальнейшем исследовании.

Приготовление брикетной смеси и прессование

Приготовление брикетной смеси осуществлялось путем смешения металлической пыли и связующего материала в пропорциях 2:1. В качестве связующего материала использовалось жидкое стекло. Смешение компонентов осуществлялось в пластмассовой емкости с помощью шпателя.

Полученная смесь была помещена в самодельную пресс-форму, представляющую собой металлический стальной цилиндр (длинна – 170 мм; диаметр –150 мм), полученный после разрезания стального трубопровода.

Для создания сжимающего усилия, способствующего уплотнению брикетной смеси (прессования), использовались переоборудованные столярные тески. Выдержка изделия под напряжением осуществлялась в течении 15 минут, после чего, готовый (спрессованный) брикет был извлечен из пресс-формы методом выдавливания, взвешен (масса 955 грамм) и направлен на стадию сушки.

Сушка брикетов

Сушка металлического брикета осуществлялась в лабораторном сушильном шкафу марки «СШ-150», при температуре 105 оС в течении 90 мин. После извлечения высушенного брикета, его геометрические размеры и физические характеристики составляли:

  •  длинна – 115 мм;
  •  ширина – 150 мм;
  • рассчитанный объем – 2,0 дм3;
  • масса – 920 гр;
  • плотность 0,46 кг/дм3.

После окончания лабораторного эксперимента, полученный брикет был передан в организацию, осуществляющую заготовку лома и отходов черных металлов для оценки возможности использования. После исследования предоставленного образца, специалистами заготовительной организации было сообщено о том, что нареканий к переданному брикету не имеется и в дальнейшем, подобные металлические материалы могут сдаваться для повторного использования.

Вывод

В настоящее время, отходы аспирационной пыли, образующейся при обработке металлических изделий абразивными материалами, не имеют действующих объектов по использованию, в связи с чем изолируются на полигонах захоронения. В тоже время, как показывает практика, отходы данного вида могут быть эффективно использованы для производства ценного сырья предприятий других отраслей промышленности. Одним из возможных методов использования, является применение металлической аспирационной пыли для производства металлических брикетов и минерального порошка. Первый, может быть использован для производства стальных изделий в литейно-плавильном производстве, второй – является сырьем для производства асфальтобетона и силикатных строительных материалов.

Библиографический список:

1. Общегосударственный классификатор Республики Беларусь, утвержден постановление Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь от 9 сентября 2019 г. №3-т
2. Реестр объектов по использованию отходов и Реестр объектов хранения, захоронения и обезвреживания отходов / Республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие «Бел НИЦ «Экология». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ecoinfo.by/content/90.html. – Дата доступа: 22.11.2020.
3. Утилизация и рекуперация отходов: Учебное пособие, издание 2-е, исправленное и дополненное / М. Е. Краснянский. – Харків : Бурун Книга, 2007.– 265 с.
4. Физико-химические основы литейного производства: Учебник для вузов. М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. - 336 с.
5. Куценко С.А. Физико-химические производства: Учебно-методическое пособие / С.А. Куценко, Л.Н. Курдюмова, Д.В. Цымай – Орел: ОрелГТУ, 2005 – 94 с.
6. Сборник эффективных изобретений (новые способы, устройства применительно к литейному производству, теплотехнике) Учеб. пособие./ Черный А.А., Черный В.А., Дурина Т.А., Соломонидина С.И. – Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2011. – 162 с.




Рецензии:

18.12.2020, 13:38 Голубев Владимир Константинович
Рецензия: Считаю, что предложенное технологическое решение, подтвержденное проведенной апробацией, отвечает основным требованиям, предъявляемым к работам, направляемым в печать, и может быть рекомендовано к опубликованию в качестве статьи в журнале Sci-article.



Комментарии пользователей:

11.12.2020, 20:49 Дубовец Денис Леонидович
Отзыв: Статья дополнена результатами экспериментального исследования предлагаемой технологии.


Оставить комментарий


 
 

Вверх