СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАМОВЫХ ОТХОДОВ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК B22F1/00 

Изобретение относится к способам утилизации дисперсных металлоотходов, преимущественно отходов шлифования быстрорежущей стали, и может найти применение в металлургии.

Известен способ переработки отходов шлифования, включающий их сушку, магнитную сепарацию, ввод в них 1,8 3,4 углерода и спекание в водороде при температуре 1310 1370^oC (прототип).

Недостаток этого способа при переработке сильно окисленных металлоотходов с содержанием кислорода 7 10 и более интенсивное выделение водяного пара и метана в процессе взаимодействия водорода с кислородом металла и углеродом, а также насыщение металла водородом, поскольку при образовании жидкой фазы его растворимость в металле в 2 3 раза выше, чем до образования жидкой фазы. Все это приводит к низкой прочности крупных брикетов, например весом свыше 50 кг, спекание которых повышает производительность процесса. Ввод же углерода в отходы ведет к уменьшению температуры образования жидкой фазы на поверхности спека. В результате спеки хрупкие и при ударе разрушаются, а из середины спеков высыпается неспекшийся порошок, т. е. при росте размеров спеков сказывается масштабный фактор: температура поверхности спеков достигает 1310 - 1370^oC, тогда как в их середине она гораздо ниже из-за интенсивного поглощения тепла при восстановлении сильно окисленного порошка.

Цель изобретения повышение производительности процесса за счет достижения максимально возможной температуры спекания при увеличении размеров брикетов.

Поставленная цель достигается в способе переработки шламовых отходов быстрорежущих сталей, включающем сушку, магнитную сепарацию и спекание в восстановительной атмосфере, отличающемся тем, что после сушки производят отжиг для удаления масла в капсуле под слоем инертного материала в две стадии: сначала при температуре 700 800^oC с нагревом факелом до образования кокса из твердого остатка пиролиза, затем при гашении факела при температуре 1000 1050^oC с обезуглероживанием и удалением из отходов газа, перед магнитной сепарацией проводят размол, перед спеканием отходы подвергают уплотнению, а спекание проводят в водороде при температуре 1380 1400^oC.

Кроме того, перед уплотнением в отходы вводят твердый углерод.

Для спекания крупных плотных брикетов необходимо обеспечить их максимальную температуру, при которой наиболее нагретая часть спека еще не переплавляется, чтобы достичь более быстрого выравнивания температурного поля по объему спека. Это требует максимального удаления газа и углерода из металлических порошков перед их спеканием в брикеты. За счет предварительного уплотнения до достижения максимальной плотности утряски происходит более быстрый прогрев слоя металлического порошка и достигается более высокая температура и плотность в центре крупных спеков, все это учитывает, что время восстановления дисперсных металлоотходов и время их спекания разные.

При отжиге металлоотходов в капсуле под слоем инертного материала обеспечивается создание защитной атмосферы за счет испарения и разложения масла. При температуре до 500 600^oC твердые остатки пиролиза масла образуют полукокс, т. е. продукт, в котором неопределенным остается количество твердого углерода. При дальнейшем повышении температуры полукокс выделяет газы, состав которых зависит от темпа нагрева отходов, также как и количество кокса, полученного из этого полукокса.

Кроме того, если температура металлоотходов после удаления из них масла ниже 690^oC, то СО разлагается с образованием СО₂ и углерода и происходит вторичное окисление порошка по реакции
Fe+CO₂__→ FeO+CO
(согласно книге В. Б. Акименко и др. "Железные порошки". М. "Наука". 1982, с. 12).

Чтобы этого не произошло необходимо поддерживать температуру в печи при отжиге масла не ниже 690^oC. В этом случае после удаления масла из части слоя, примыкающей к поверхности нагрева, последняя быстро нагревается до температуры не ниже 690^oC. Когда желтый факел над слоем инертной засыпки погас, в центре слоя температура ниже 690^oC. В частях слоя с температурой ниже 690^oC идет выделение СО. Этот газ, попадая в зону с температурой ниже 690^oC, разлагается на СО₂ и С и вызывает вторичное окисление железа. Однако, как только гаснет желтый факел, температуру печи быстро поднимают до 1000 1050^oC, в результате чего во всем объеме слоя выделяется только СО, без образования СО₂: вторичного окисления железа не происходит. При взаимодействии свободного углерода с кислородом в металле идет удаление газов и обезуглероживание металла. После того, как погаснет синий факел оксида углерода, дисперсные металлосодержащие отходы извлекаются из капсулы, дробятся в шаровой мельнице и подвергаются магнитной сепарации, после чего стальной порошок укладывается на жестяном поддоне и спекается в водороде при температуре 1380 1400^oC. Благодаря предварительному удалению газов из металлоотходов достигается меньшая пористость спеков, а минимальное содержание углерода при этом увеличивает температуру образования жидкой фазы, что повышает эффективность спекания более крупных брикетов. При этом снижается количество растворенного в металле водорода.

Пример. Переработке подвергались мокрые отходы шлифования стали марки Р6М5 и сухие отходы, взятые из циклонов, этой же стали. Эти отходы были получены с Минского инструментального завода.

Мокрые отходы, содержащие до 20 влаги (воды) и 4 5 масла подвергались фильтрационной сушке при температуре воздуха 95 100^oC до влажности 5 6 Затем они отжигались в капсулах диаметром 300 мм, высотой 500 мм (по четыре в каждой печи) под слоем частиц кварцевого песка диаметром 0,2 0,3 мм и высотой 80 мм. Исходное содержание кислорода в металлоотходах 1 2
При отжиге масла при температуре 450 650^oC содержание кислорода в металле увеличилось до 5 7 что можно объяснить вторичным окислением железа в процессе коксования остатков масла двуокисью углерода. Затем отходы подвергались дроблению до возрастания их насыпного веса в 2 2,5 раз и магнитной сепарации в убывающем по напряженности импульсном магнитном поле. За один проход через сепаратор содержание стали в отходах увеличивалось с 70 до 99 После этого стальной порошок спекался в водороде при температуре 1380 - 1400^oC. Плотность спека 5,5 6 г/см³. Брикеты вязкие и не разрушаются при ударе о бетонный пол при падении с высоты 2 м. Вес брикета 50 кг. При переплаве таких брикетов выход годного металла по отношению к весу брикетов 75 80
При отжиге отходов при температуре 700 750^oC содержание кислорода в металле не превышало 2 3 а с увеличением температуры после прекращения горения желтого факела до 1000 1050^oC до прекращения горения синего факела оксида углерода количество кислорода понижалось до 0,8 1 Плотность брикетов при спекании при температуре 1380 1400^oC 7 7,2 г/см³. При спекании при температуре 1410 1420^oC наблюдалось оплавление спеков и образование на их поверхности трещин, раковин, что можно объяснить тем, что растворение водорода в жидкой фазе металла более, чем в два раза выше, чем в порошке: при переходе из жидкой фазы к твердой при охлаждении спеков избыток растворенного водорода под давлением вырывается из брикета, разрывая его поверхностный слой.

По сечению спека, полученного при отжиге в атмосфере водорода в течение 1 ч при температуре 1380 1400^oC, плотность неравномерна: она равна 7 7,5 г/см³ в частях спека, прилегающих к его поверхности и достигает порядка 6 6,5 г/см³ в центре спека, где температура была порядка 1250 - 1280^oC. С увеличением масштаба (размеров) спека уменьшалось количество растворенного в нем водорода, приходящееся на 1 кг спека. Спек имел, таким образом, плотную, но хрупкую поверхностную часть и вязкую сердцевину. При переплаве таких брикетов выход годного металла по отношению к весу брикетов составляет 90 95 При увеличении размеров брикетов необходимо обеспечить максимально возможную температуру спекания без образования жидкой фазы, чтобы обеспечить более эффективный разогрев слоя во всем его объеме. Дополнительный ввод перед спеканием порошка твердого углерода в количестве 1,8 3,4 снижал температуру образования жидкой фазы до 1310 1370^oC и вел к интенсивному растворению водорода в металле: крупные спеки получались хрупкими с глубокими трещинами, порошок в их центральной части почти не спекался (спекание в течение 1 ч). Плотность брикетов весом 50 кг 5,5 6 г/см³. По-видимому, водород взаимодействовал с углеродом и в ходе спекания из брикетов выделялся метан, как бы раздувая их. При переплаве таких брикетов выход годного металла по отношению к весу брикетов составлял 75 80
Стальной порошок, выделенный из циклонных отходов, содержащий до 10 кислорода, при отжиге в водороде при 1280^oC спекался настолько слабо, что спеки измельчались в порошок в шаровой мельнице: их плотность была порядка 2,5 2,7 г/см³.

После предварительного отжига с введением 6 твердого углерода при температуре 1050^oC до прекращения горения оксида углерода, размола и повторного отжига при той же температуре 1280^oC (в течение того же времени) брикет имел плотность 5 5,5 г/см³ и не разрушался при дроблении в шаровой мельнице. Более плотное спекание было потому, что из стального порошка предварительным отжигом были удалены газы (кислород).

Если после предварительной магнитной сепарации в стальной порошок добавлялось 6 углерода и отжиг проводился в капсулах под слоем инертного материала последовательно при температуре 700 750^oC с удалением масла (1 2) при горении желтого факела, а после прекращения его горения температуру поднимали до 1050^oC и вели отжиг до прекращения горения оксида углерода, то после спекания такого "обезгаженного" порошка в водороде при температуре 1380 1400^oC в этой же капсуле из нее удалялись брикеты плотностью 7 - 7,3 г/см³. Капсула была выполнена из шамота, с внутренним диаметром 180 мм и высотой 400 мм. Большая плотность была у нижнего основания брикета.

Отжиг отходов масла в капсулах под слоем инертного материала и факелом (известный способ) в сочетании с восстановительным отжигом в этой же капсуле и спеканием представляет совокупность приемов, обеспечивающих при разложении масла образование свободного углерода и оксида углерода, без окисления хрома, причем свободный углерод используется для довосстановления металла. При этом не используется водород. Более того, применение водорода для предварительного восстановления металла ведет к его обезуглероживанию (т. е. углерод уже не используется в качестве восстановителя), далее выделяющиеся при этом пары воды окисляют хром. При спекании же порошка в водороде при 1380 1400^oC хром восстанавливается, но выделяющиеся при этом пары воды "раздувают" спеки, уменьшая их плотность.

Отжиг в капсулах под слоем инертной засыпки маслосодержащих металлоотходов при температуре не ниже 690^oC предотвращает окисление металла двуокисью углерода, а последующим подъемом температуры до 1000 - 1050^oC из металлоотходов (перед их спеканием) удаляется максимально возможное количество газов и углерод, что в процессе последующего спекания предотвращает разбухание спеков выделяющимися газами и повышает температуру спекания с образованием жидкой фазы, ускоряет прогрев брикетов большой массы и объема при сочетании спекания с образованием жидкой фазы поверхностного слоя брикетов и спекания до образования губчатого железа в его центре.

При температуре 1000 1050^oC спеки из порошка легко рассыпались при размоле в шаровой мельнице, но эта температура была достаточной для удаления газов из металла. При 1100^oC спеки уже не размалывались, хотя имели плотность на уровне плотности утряски порошка 3 г/см³.

При отжиге отходов шлифования при их температуре 500 600^oC до прекращения горения факела над слоем инертной засыпки дальнейший рост температуры свыше 700^oC всегда сопровождался появлением синего или почти бесцветного факела, хотя температура отходов была значительно ниже температуры восстановления металлических порошков. Это говорит о том, что при подъеме температуры свыше 700^oC происходил распад полукокса и превращение его в кокс, т. е. температура пиролиза 500 600^oC еще не обеспечивает превращение его твердых остатков в кокс.

При отжиге отходов шлифования при их температуре 700 800^oC до прекращения горения факела дальнейший рост температуры вплоть до 900^oC не сопровождался возникновением факела. Это объясняется тем, что кокс уже не содержал вещества, распадающиеся при высокой температуре с выделением газа, а содержал в основном аморфный графит. При 900 950^oC факел вновь загорался и максимальная его высота достигалась при температуре 1050^oC.

Следовательно, отжиг отходов в диапазоне температур 700 800^oC обеспечивает превращение твердых остатков пиролиза в кокс и позволяет однозначно определить содержание свободного углерода, приходящееся на количество в нем кислорода, с тем, чтобы добавить твердый углерод при его недостатке в случае переработки сильно окисленных отходов.

Температура материалов 700 800^oC означает, что после их нагрева осуществляют их выдержку при этой температуре вплоть до прекращения горения факела. Температурное поле в объеме капсулы не однородно, например возле ее стенок температура 800^oC, а в центре ее 700^oC. Увеличение же температуры выдержки материала свыше 800^oC ведет к резкому увеличению количества выделяющихся газов уже не только в процессе образования кокса из полукокса, но и в процессе восстановления металла (смесь СО, СО₂), что ведет к выносу стального порошка, размер частиц которого в основном не превышает 0,1 мм, а также выносу слоя инертного материала с частицами размером 0,3 0,5 мм.

Предварительное уплотнение металлоотходов после удаления из них газов до максимальной плотности утряски (3,5 4 г/см³) и спекание при максимально возможной (после удаления из металла углерода) температуре 1380 - 1400^oC обеспечивает с учетом масштабного фактора повышенную теплопроводность спекаемого слоя дисперсного материала (металлоотходов), более равномерный прогрев и получение прочных крупных спеков.

При высокой плотности утряски слоя стального порошка и максимально допустимой температуре спекания, достигнутой данным способом, производительность спекания выросла в 2 3 раза (50 кг брикет).

Сущность изобретения заключается в том, что в целях утилизации дисперсных металлоотходов проводят переработку шламовых отходов быстрорежущих сталей, образующихся при шлифовании или заточке. Мокрые отходы шлифования стали, например марки Р6М5, содержащие до 20 % влаги и 4 - 5 % масла подвергают фильтрационной сушке при 95 - 100^oC до влажности 5 - 6 %, затем отжигают в капсулах под слоем кварцевого песка в две стадии: сначала при температуре 700 - 800^oC с нагревом факелом до образования кокса из твердого остатка пиролиза, а затем при гашении факела при температуре 1000 - 1050^oC с обезуглероживанием и удалением из отходов газа. После отжига отходы дробят, затем подвергают магнитной сепарации, размолу и уплотнению. Спекание уплотнительного продукта проводят в водороде при 1380 - 1400^oC. 1 з. п. ф-лы.

1. Способ переработки шламовых отходов быстрорежущих сталей, включающий сушку, магнитную сепарацию и спекание в восстановительной атмосфере, отличающийся тем, что после сушки проводят отжиг для удаления масла в капсуле под слоем инертного материала в две стадии: сначала при 700 800^oС с нагревом факелом до образования кокса из твердого остатка пиролиза, затем при гашении факела при 1000 1050^oС с обезуглероживанием и удалением из отходов газа, перед магнитной сепарацией проводят размол, перед спеканием отходы подвергают уплотнению, а спекание проводят в водороде при 1380 - 1400^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед уплотнением в отходы вводят твердый углерод.