124414 (Способы утилизации отходов, образующихся при огневой зачистке поверхности металлов)

ВВЕДЕНИЕ

Разработка экологически чистых технологий в машиностроении и металлургии в новом тысячелетии является одной из актуальных задач. Очистка поверхности металлопроката перед дальнейшим переделом (волочение, прокат, нанесение защитных покрытий) в металлургии на сегодняшний день в основном осуществляют кислотным способом, в машиностроении и трубной промышленности очистка поверхности металлов перед раскроем, сваркой, нанесением защитных покрытий и другими операциями производится в основном механической очисткой дробью, песком и стальными щетками (иглофрезы).

Огневая зачистка поверхности стальных заготовок, болванок, брусков и плит, проводимая для удаления дефектов поверхности сопровождается образованием отходов. Огневая зачистка состоит в быстром удалении поверхностного слоя стали при сжигании топлива в кислороде, подводимого к поверхности с помощью одной или нескольких горелок. Кислород окисляет часть стали, причем происходит выделение тепла и повышение температуры, приводящее к плавлению поверхностного слоя. Образующиеся при этом отходы представляют собой частично окисленные частицы стали, главным образом сферической формы.

Цель курсовой работы – рассмотреть способы утилизации отходов, образующихся при огневой зачистке поверхности металлов.

Глава 1 уДАЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ С ПОВЕРХНОСТЕЙ

После прокатки слитков на блюминге (слябинге) на поверхности прокатанных блюмов (слябов) имеются различные дефекты (трещины, закаты окалины и шлака и т. п.).

Перед дальнейшей прокаткой блюмов (слябов) с их поверхности необходимо удалить эти дефекты, что осуществляется двумя способами:

1. зачисткой поверхности холодных блюмов и слябов на складе; ручными автогенными резаками и пневматическими зубилами, обдиркой, строжкой и фрезерованием на станках и т. п.; эти операции малопроизводительные и требуют применения тяжелого физического труда;

2. зачисткой поверхности горячих блюмов (слябов) сразу же после окончания прокатки их на стане, т.е. в потоке движения металла по рольгангу между станом и ножницами. Эта операция полностью механизирована и частично автоматизирована и поэтому получила за последние годы широкое применение.

На рисунке 1 показан общий вид машины огневой зачистки (МОЗ) слябов, установленной за рабочей клетью слябинга (перед ножницами) и предназначенной для зачистки на ходу поверхности слябов шириной до 1500 мм и толщиной до 250 мм одновременно со всех четырех (или только с двух) сторон; глубина зачистки (толщина поверхностного слоя металла с дефектами) составляет 1,5—3 мм и регулируется путем изменения скорости рольганга (0,25—0,75 м/с).

Газорежущие блоки верхний 1 и нижний 2 установлены на суппортах: 3 и 4, перемещаемых по вертикали и горизонтали гидроцилиндрами 5 и 6. Вертикальные стойки машины 7 установлены на раме 8, скрепленной с рамой 9 двухроликовой секции рольганга 10; если не требуется огневая зачистка металла (а также в случае ремонта), МОЗ может быть смещена с линии потока металла путем передвижения машины по фундаментной плитовине 11 (при помощи реечной передачи), при этом освободившееся место будет занято секцией рольганга 10.

Газорежущие блоки имеют щелевидные сопла, расположенные под углом около 25° к поверхности металла. При движении блоков к металлу автоматически включается подача к соплам кислорода и горючего газа (ацетилена, природного или коксового газа), загорающихся от горячего металла. Поверхность металла оплавляется, и в этот момент включается подача режущего кислорода (чистотой 96—98 %), в которому сгорает железо металла, благодаря чему температура пламени повышается до 2500—3000 °С и расплавляется поверхностный слой металла. Одновременно включается система для гидросбива образующегося шлака водой высокого давления (до 3 МПа).

При сплошной огневой зачистке сжигается поверхностный слой металла толщиной до 2,5 мм; потери металла составляют 1,5—2,5 %. При такой относительно большой потере металла сплошная огневая зачистка блюмов (слябов) целесообразна только для наиболее дешевой малоуглеродистой стали при наличии значительных дефектов на поверхности по всей длине блюмов (слябов); во многих случаях, особенно для слябов из качественной стали, применяют огневую зачистку только с двух сторон слябов, выборочную зачистку в потоке (не всех слябов, а только имеющих значительные дефекты), а также выборочную зачистку холодных блюмов (слябов) на складе.

Рисунок 1 — Машина огневой зачистки слябов

При сплошной огневой зачистке металла удельные расходы составляют: кислорода (при давлении 0,3 МПа) около 4 м³ на тонну металла, ацетилена (при 0,025 МПа) или природного газа (при 0,06 МПа) около 0,3 м³/т. Для удаления большого количества образующегося дыма машина огневой зачистки (МОЗ) снабжена вентиляционной системой; кроме того, предусмотрены автоматические системы на случай тушения пожара на кислородопроводах при помощи азота.

Следует отметить, что на малых блюмингах, прокатывающих слитки из легированной стали, а также на заготовочных станах, вместо машины огневой зачистки иногда устанавливают фрезерные многорезцовые (дисковые) станки для механической зачистки (снятия стружки) с горячих слитков, блюмов и заготовки (термофрезерование). Этот способ является весьма эффективным, но требует дальнейшего усовершенствования.

Механизация уборки обрезков от ножниц

При резании блюмов и слябов ножницами на мерные длины обрезки от их головной и хвостовой частей составляют 10—15 % по массе. При производительности блюминга (слябинга) 550—700 т/ч от ножниц необходимо убирать 60—90 т/ч обрезков. Уборка осуществляется конвейером с непрерывной загрузкой обрезков в специальные цельнометаллические железнодорожные платформы грузоподъемностью до 100 т.

Цепной скребковый транспортер (рисунок 2) расположен поперек двух пролетов: станового и скрапного. Приемная часть конвейера находится в первом пролете ниже уровня пола цеха (под ножницами), а разгрузочная наклонная часть конвейера — в скрапном пролете с железнодорожным путем для платформ. По наклонному желобу у ножниц обрезки подают вниз и попадают на приемную плиту 1. Скребки 2, прикрепленные к звеньям боковых цепей, перемещают горячие обрезки массой до 1,5 т каждый по промежуточным плитам к разгрузочному желобу 4, с последнего обрезки падают непосредственно в полузакрытую платформу 5.

Рисунок 2 — Транспортер для уборки обрезков от ножниц блюминга непосредственно в железнодорожные вагоны

Ведущие звездочки 3 приводятся электродвигателем переменного тока мощностью 50 кВт через трехступенчатый цилиндрический редуктор (1=353,8). На выходном тихоходном валу редуктора предусмотрена зубчатая муфта предельного момента со срезными шпильками, предохраняющая поломку зубьев редуктора при случайном заклинивании обрезков на конвейере. Нижняя ветвь конвейера поддерживается направляющими звездочками 6 и роликами 7; для гидросмыва окалины под приемной плитой в фундаменте сделана траншея.

Направляющие планки, по которым движется верхняя ветвь цепей, смазываются густой мазью от автоматической смазочной системы. Скорость движения цепи 6,4 м/мин; ширина рабочего полотна конвейера 1790 мм; масса конвейера 180 т.

На некоторых блюмингах и слябингах обрезки с конвейера загружают не непосредственно в металлические железнодорожные платформы, а в промежуточные ямы (колодцы), наполненные водой; из последних обрезки после охлаждения периодически транспортируются на платформы с помощью магнитных кранов. Такой способ уборки обрезков отличается существенными недостатками: он требует интенсивной работы магнитного мостового крана; затрудняет сортировку обрезков по маркам стали, а также циркуляцию воды в колодце ввиду скопления окалины в каналах и т. д.

Механизация уборки окалины

При работе блюмингов и слябингов большое внимание надо уделять уборке окалины, которая дробится и отделяется от прокатываемой полосы во время прохождения ее между валками и нахождения на рольгангах. Окалина скапливается под валками и рольгангами.

Если принять, что угар металла на блюмингах и слябингах составляет 2 %, и что половина этого металла в виде окалины отделяется от слитков в нагревательных колодцах, а другая половина — при прокатке, то при большой производительности современных крупных блюмингов и слябингов количество окалины, подлежащей уборке на стане, может доходить в отдельных случаях до 150—200 т сутки. Кроме того, при прокатке слитков, особенно из кипящей стали, от них отделяются куски. шлака, количество которых в отдельных случаях может доходить до 20—30 т в сутки. Эту окалину и куски шлака, попадающие под рабочую клеть и рольганги, необходимо своевременно удалять.

Применяют различные способы уборки окалины на блюмингах и слябингах. Наилучшим способом уборки окалины является гидравлический, при котором окалина смывается водой. Недостатком этого способа является то, что крупные куски металла, особенно отваливающиеся от слитков кипящей стали, в этом случае удалить нельзя.

На блюминге 1150 под рабочими рольгангами (поперек движения металла) расположены два скребковых транспортера, каждый длиной 21,6м. Желоб транспортера трапецеидальной формы, и по нему движутся цепи со скребками со скоростью 2 м/мин.

Рисунок 3 — Скиповый подъемник для уборки окалины и кусков скрапа из-под рабочего рольганга

Крупные куски скрапа направляются двумя наклонными решетками; на скребковые транспортеры, которые удаляют их в коробы, установленные в ямах в скрапном пролете. Из этих ям коробы периодически вынимаются краном и разгружаются на железнодорожные платформы.

Мелкая окалина проваливается через щели в наклонных решетках и попадает в наклонные каналы, по которым непрерывно течет вода, смывающая ее в большую отстойную яму в скрапном пролете. Из ямы ее убирают с помощью грейферного крана.

На слябингах 1250 конструкции НКМЗ применяется механизированная уборка скрапа при помощи скипового подъемника (рисунок 3).

Под рабочими рольгангами 1 расположены бункера 2 с затворами;. в бункера попадают весь скрап и большие куски окалины, которые отделяются от слитков при прокатке. По наполнении бункера затвор 3 пневмоприводом 4 открывается и скрап загружается в скиповую тележку 5. При помощи лебедки 6 и канатного привода скип со скрапом поднимается вверх и разгружается в железнодорожную платформу 7, находящуюся в скрапном пролете.

Мелкая окалина проваливается вниз через щели в решетках и попадает в наклонные каналы, по которым непрерывно течет вода. Окалина смавается в отстойную яму в скрапном пролете, из которой периодически удаляется грейферным краном в железнодорожные платформы.

Глава 2 ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ОЧИСТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Впервые электрическая дуга, следовательно, и низкотемпературная плазма, были использованы на практике для удаления оксидов и любых других загрязнений с поверхности алюминия и некоторых его сплавов при разработке технологий аргонно-дуговой сварки конструкций из алюминиевых сплавов [1-3]. При сварке на постоянном токе при обратной полярности очищающее действие электрической дуги в катодной области реализуется в течение всего процесса ее горения, а при сварке на переменном токе, в те полупериоды, когда изделие является катодом. Механизм очистки поверхности в катодном пятне электрической дуги от оксидов и любых других загрязнений заключается в воздействии на поверхность катода потока высокоэнергетичных ионов плазмы, генерируемых электронами эмиссии в прикатодной области дуги.

Потоком бомбардирующих ионов, ускоренных падением потенциала в катодных пятнах, очищаемой поверхности передается энергия с плотностью порядка 1011 Вт/м2. При этом, по оценкам ряда исследователей [4, 5], в катодном пятне температура достигает (5-10) – 103К, а давление пара оксидов и металла 107-108 Па. Отсюда механизм очистки металлов от оксидов и других загрязнений в катодном пятне можно представить в режиме «стоп-кадр» следующим образом. Над металлической поверхностью находится слой плотного металлического пара или слой перегретого металла, с поверхности которого в окружающее пространство со сверхзвуковой скоростью истекают струи газовой смеси металла с диссоциированными оксидами. В этой смеси компоненты с низким потенциалом ионизации (в основном атомы металлов – по уравнению Саха [6]) находятся в состоянии плазмы. Катодные пятна хаотически под воздействием собственных или внешних магнитных полей перемещаются по поверхности очищаемого изделия. Исследования показали, что скорость перемещения катодных пятен с плотностью тока порядка 1010 А/м2 зависит от толщины оксидного слоя (печная, прокатная окалина, ржавчина, другие загрязнения), давления насыщенного пара материала изделия и загрязняющих веществ на поверхности, теплопроводности, температура очищаемого изделия, конфигурации и рельефа поверхности, давления и химического состава окружающей среды.

В некоторых случаях катодная область дугового разряда на очищаемом изделии представляет собой сплошной нитевидный фронт на границе очищенного металла и оксидного покрытия. Длина или периметр нитевидного фронта катодной области может достигать сотен миллиметров. Это наиболее производительный режим плазменно-дуговой очистки.

Наибольшая производительность и высокое качество плазменной электродуговой очистки достигается при понижении давления внешней среды относительно атмосферного до 1,33х102 – 1,33 Па [7-9]. В этом диапазоне давлений электрическая дуга стабильная, парциальное давление кислорода ниже упругости диссоциации большинства оксидов металлов при температурах, реализуемых в катодной области вакуумной дуги, благодаря чему на очищаемой поверхности интенсивно протекает реакция диссоциации оксидов и других загрязнений, их ионизация и испарение (сублимация). Ионизируются в основном металлы, при этом ионы под воздействием электростатического поля, возникающего в области катодного падения потенциала, ускоряются и имплантируются в поверхность очищаемого изделия. В результате на поверхности очищенного изделия образуется слой металла, восстановленного из оксидов. Энергозатраты на очистку 1 м2 в зависимости от степени загрязненности поверхности составляют 0,3 – 2,0 кВт/ч.

Глава 3 АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ОТХОДОВ