А. Жесбергер – Брикетирование чугунной стружки

Многие промышленные производственные процессы включают механообработку литых деталей – токарную обработку, фрезерование и сверление. Образующуюся при этом стружку молжно утилизировать. В то время, как традиционно литые детали механически обрабатываются специализированными компаниями, действующими в качестве поставщиков для других отраслей промышленности, наблюдается заметная тенденция в сторону предварительной и окончательной механообработки деталей непосредственно на литейных предприятиях. Специализированные компании по механообработке продают стружку в виде лома, а литейные используют ее в качестве насыпного материала в собственном плавильном оборудовании или продают посредникам по продаже металлолома.

Чугунная стружка: свойства и рынок

В отличие от стальной стружки, чугунная официально не классифицирована. Однако, в действительности она рассматривается и реализуется как отдельный сорт. Как правило, чугунная стружка продается по более высокой цене, чем стальная. Этот материал используется, главным образом, на литейных предприятиях, сталеплавильных заводах или предприятиях по химической переработке. По этой причине чугунная стружка, как правило, собирается, хранится и продается отдельно от другого лома.

Однако непрессованная стружка имеет много недостатков. Поэтому, по сравнению с крупным ломом (листовой металл, литейный лом и т.п.), стружка имеет значительно более низкие рыночные цены.

Недостатки чугункой стружки

Логистика и хранение. Объемная масса стружки в 4 раза меньше (то есть составляет 25%), чем масса цельного лома. Поэтому для сбора и транспортировки стружки в пределах и за пределами литейного предприятия требуются большие емкости, которые занимают значительное место в цехе, и их приходится часто опорожнять. Автоперевозки в контейнеровозах - самый дорогостоящий способ транспортиров¬ки. Поскольку чугунная стружка загрязнена смазочно-охлаждающей жидкостью, необходимы определенные меры при ее хранении. Аля предотвращения загрязнения грунтовых вод стружка должна собираться в герметичных контейнерах, установленных на герметичных поверхностях. Эти факторы приводят к повышению затрат на хранение.

Качество лома. Поскольку непрессованная стружка имеет большую площадь поверхности, относительно высокая скорость коррозии приводит к более низкой оценке материала. С дополнительным снижением цены приходится мириться и в случае влажной стружки. Стружку, загрязненную эмульсией, хранить нельзя, так как она быстро корродирует и уплотняется.

Проблемы плавки. Влажную стружку нельзя использовать на литейных предприятиях, если материал предварительно не обработан. Однако из-за мелких размеров обработанная и высушенная стружка, тем не менее, имеет свойства худшие, чем сплошной металлический материал. Если плавильное оборудование (печь, система приготовления шихты) специально не адаптировано к плавке непрессованной стружки, плавить ее нельзя, иначе в процессе плавки возникнут серьезные проблемы.

Рисунок 1 – Брикеты, изготовленные из чугунной стружки, содержащей пластинчатый графит.

К таким проблемам относятся:

ограниченная загрузка;
повышенное потребление энергии;
увеличенное время плавки;
более высокие потери от окисления и усиленное шлакообразование.

Эти факторы снижают производительность плавильного агрегата. Переработка непрессованной стружки в вагранках возможна только после установки дополнительного оборудования. В зависимости от имеющегося на литейном предприятии плавильного оборудования приведенные факторы, так или иначе, сказываются на процессах и получаемых результатах.

Брикетирование: технология обработки и плавления. Для успешного брикетирования чугунной стружки необходимо наличие:

надежного технологического оборудования;
металлургического ноу-хау и экспертных знаний в области плавления брикетов.

Там, где компании по механообработке намерены перепродавать брикеты, обязательно наличие оптимизированных каналов сбыта.

Требования, которым должно соответствовать оборудование. Самые производительные прессы для брикетирования чугунной стружки рассчитаны на работу в три смены с высокой эксплуатационной готовностью, должны быть полностью автоматизированы и потреблять небольшое количество электроэнергии. Затраты на техобслуживание и запчасти вполне приемлемы, и машина производит брикеты требуемого пос¬тоянного качества (рис. 1).

Брикеты должны:

быть твердо спрессованы, чтобы выдерживать ударные воздействия при загрузке и разгрузке;
иметь хорошую хрупкость (высокую абразивную прочность и стойкость к скалыванию);
содержать лишь минимальную остаточную влагу (< 3%, лучше < 2%);
быть оптимально уплотнены.

Для получения брикетов, соответствующих этим требованиям, необходимо давление прессования > 3000 кг/см² (300 МПа). Плотность брикета можно повысить применением еще более высокого давления прессования. Однако максимально применимое давление достигается при ~ 5000 кг/см² (500 МПа).

Рисунок 2 – Брикетирующая установка с отдельным загрузочным бункером, рассчитанная на производительность ~ 1200 кг/ч.

Максимально достижимая плотность соответствует ~ 80% плотности в сплошном литом состоянии. Обычная плотность брикетов из чугунной стружки составляет 5,2...7,2 кг/см³. Эти качественные требования можно выполнить только при применении высококачественного оборудования (рис. 2).

Анализ развития рынка за последние 10 лет показывает, что многие поставщики брикетирующих прессов покинули этот бизнес. В некоторых случаях заказчикам поставляли плохо сконструированные машины недостаточного качества, которые не соответствовали существующим требованиям.

Кроме конструкции машины и качества изготовления, потребитель должен быть уверен в том, что поставщик предлагает комплексный пакет услуг. В дополнение к эффективной поставке запчастей и предоставлению персонала для сервисного обслуживания, поставщик должен предлагать вспомогательное оборудование для пресса, например, бункеры и т.д. Поставщик должен также предоставить возможность аренды оборудования на ограниченный период времени для проведения плавильных испытаний на литейном предприятии заказчика. Для достижения наивысшей производительности заказчик должен иметь возможность выбора машины с необходимой пропускной способностью из ряда разных моделей и типоразмеров. Оборудование завышенных размеров требует повышенных инвестиционных затрат.

Граничные случаи. Хрупкая стружка (например, из отбеленного чугуна) склонна к разрушению и раскрашиванию при формовке. Хотя такой материал и можно прессовать, его нельзя превратить в компактные и твердые брикеты. В определенной мере это относится и к очень мелкой стружке, особенно, если она имеет повышенное содержание оксидов. Для получения брикетов чугунной стружки после сухой механообработки материал необходима смачивать, так как иначе качество брикетов будет неудовлетворительным. Для этой цели стружку можно обрабатывать водой, эмульсией или маслом. Обычно, содержание жидкости < 1 % достаточно, при условии, что жидкость равномерно распределена в массе непрессованной стружки.

Преимущества брикетированной стружки

Логистика и хранение. Брикеты можно хранить и транспортировать как цельный лом. Так как они имеют большую объемную массу, их легко хранить и транспортировать при низких затратах. Даже влажная чугунная стружка может храниться в течение длительных периодов времени, если она спрессована в брикеты. В отличие от непрессованной стружки, нет опасности для здоровья, не бывает «масляных следов» вдоль маршрутов транспортировки стружки на грузовиках на контейнерных станциях.

Качество материала лома. Если прессование в брикеты происходит непосредственно на месте образования стружки, можно эффективно предотвращать коррозию металла, так как открытая для внешнего воздействия поверхность материала сильно сокращена. Это предотвращает образование оксидов. Смазочно-охлаждающие жидкости, которые выпрессовываются из материала в процессе брикетирования, можно использовать повторно, экономя таким образом затраты.

Для обеспечения нужного состава шихты важно, чтобы литейное предприятие могло использовать материал с известными металлургическими свойствами одной и той же марки. Особую важность имеют углерод, кремний и возможные легирующие компоненты, которые не изменяются при переработке материала. В отличие от этого, использование стального лома требует дополнительных затрат на карбюризаторы и кремниевые добавки.

Преимущества при плавке. Брикетированная стружка - ценный ресурс для литейных предприятий, где невозможна переработка непрессованной стружки или плавка возможна только с описанными проблемами. Брикеты легко загружаются, что способствует сокращению времени плавки, а тем самым и затрат на энергию, В то же время улучшается использование мощностей. Благодаря компактным размерам брикетов уменьшаются потери от окисления, максимизируется производительность, и количество отфильтрованной пыли сводится к минимуму. Уменьшается риск отложения частиц стружки на стенках печи и «перегрева» печи, вызываемого ухудшенным потоком газа.

Экономические преимущества брикетированной стружки. Приведенные факторы делают брикеты более пенными, чем непрессованная стружка. Поэтому брикетирование чугунной стружки может представлять коммерческий интерес как для механообрабатывающих предприятий без литейного цеха, так и для литейных предприятий, которые осуществляют механообработку деталей.

Специалисты по механообработке смогут продавать свой лом по лучшим ценам. В зависимости от эксплуатационных факторов (качества материала стружки, действующих контрактов на приемку), доход может быть увеличен с € 30 до € 100 за 1 т, с учетом колебаний рыночных цен. В конечном счете, литейные предприятия могут в среднем ~ € 100 на 1 т. Эта цифра рассчитана из низкого дохода от непрессованной стружки, реализованной на рынке, и расходов на покупной чугун для использования на литейном предприятии.

Раздельный сбор стружки разных литейных сортов. Чтобы наилучшим образом воспользоваться описанными преимуществами, стружку следует прессовать, когда она еще «свежая», то есть в том месте, где она образуется. Стружку разных литейных сортов следует собирать и обрабатывать раздельно. В частности, чугун, содержащий шаровидный графит, должен быть свободным от стружки чугуна, содержащего пластинчатый графит. Это означает, что брикеты, предназначенные для производства чугунных отливок из ЧШГ, должны изготовляться именно из этого материала. Если невозможно держать стружку разных литейных сортов раздельно, брикеты можно использовать только для производства определенных отливок, например, из чугуна с пластинчатым графитом.

Плавильная технология. Брикеты можно использовать при плавке в вагранках и индукционных печах средней и/или промышленной частоты. В вагранку брикеты можно загружать как любой другой лом (см. ниже). Что касается индукционных печей, необходимо соблюдать определенные правила в последовательности загрузки (см, ниже).

Среднечастотная индукционная печь. Порожняя печь, которая все еще может быть теплой, сначала загружается брикетами (в качестве альтернативы, нижний слой может состоять из кускового лома). Верхний слой должен состоять исключительно из кускового лома.

Индукционная печь промышленной частоты. Первоначально зумпф загружается сухим ломом до уровня, выше уровня расплава. Брикеты располагаются на этом ломе, причем верхний слой состоит из стального лома. При загрузке печи описанным образом любая остаточная влага в брикетах может уходить до того, как брикеты расплавятся. В среднечастотной индукционной печи последовательность загрузки менее ограничительна, так как эти печи можно загружать в порожнем состоянии. Брикеты легко соединяются, и любая остаточная влага может быстро испаряться. Брикеты можно безопасно применять и в индукционных печах промышленной частоты, так как у влаги в брикетах есть достаточно времени для испарения, пока они нагреваются горячим зумпфом. Покрытие брикетов кусковым ломом предотвращает их всплывание, что является риском в ситуациях, когда в расплаве происходит лишь небольшое движение. Поскольку плотность брикетов ниже плотности расплава, они всплывали бы на поверхность жидкого металла, как пробки в воде, приводя к избыточному образованию шлака и большим потерям металла. Так как слой металлолома, расположенный над брикетами в печи, удерживает их внизу, они плавятся с максимальным выходом годного.

Пределы и ограничения. Даже если брикетированную стружку применяют правильно, есть некоторые ограничения по ее переработке. Один из факторов, который необходимо учитывать, образование дыма как результат присутс¬твия остаточной влаги. То же самое известно и о влажной непрессованной стружке. Система вытяжки и очистки дымовых газов должна иметь соответствующие размеры.

Особая проблема – испарение масляных компонентов в брикетах, так как они могут образовывать в фильтре остаток, который легко воспламеняется. Горючие масляные компоненты могут приводить к возникновению пламени в печи, которое может повредить загрузочное оборудование, установленное в плавильном агрегате.

Важно ограничивать долю перерабатываемого материала, такого как брикетированная стружка, в общем составе шихты, так как это помогает предотвратить возникновение металлургических проблем в отношении расплава и отливок, таких как чрезмерное содержание азота или кислорода, дисбаланс между Si и С, содержание Р и S и т.д.

Качество брикетированной стружки

Использование материала, металлургические свойства которого неизвестны или который был загрязнен, может причинить серьезный ущерб и стать причиной высоких косвенных затрат. С одной стороны, щелочной шлак агрессивно воздействует на кислотную футеровку печи. С другой, грязь и посторонние металлы – причина усиленного шлакообразования или даже образования посторонних включений.

К сожалению, некоторые «паршивые овны» в сфере торговли ломом, которые были озабочены только получением максимальной прибыли и допускали попадание в лом посторонних материалов, стали источником неприятных сюрпризов для потребителей. Как следствие, дешевый брикет снискал среди литейных предприятий, пострадавших от такой практики, дурную репутацию. Но это абсолютно неоправданно.

Риска получения плохих брикетов можно избежать, используя лишь материал, перерабатываемый из собственных отходов или закупая брикеты непосредственно у партнера, занимающегося механообработкой. В этом случае материал должен собираться и прессоваться в брикеты непосредственно на месте образования стружки, а качество самих брикетов должно постоянно контролироваться.

Перспективы

Альтернативные и комплексные концепции производства брикетов для литейного производства нацелены на следующее:

производство брикетов из сплавов;
получение дополнительных выгод, например, за счет ввода углерода;
введение в брикеты определенных металлических остатков, способствуя таким образом их утилизации и снижая затраты на их вывоз.

Такие концепции уже реализованы в разных вариантах или разрабатываются в настоящее время. Они требуют четкой координации между предварительными материалами и смесями, с одной стороны, и оборудованием и плавильной технологией, с другой. Таким образом, эти системы требуют значительно большего, чем просто изготовление брикетов из чугунной стружки. Взамен они предлагают значительно больший потенциал добавленной стоимости.

Выводы

свойства брикетов сходны со свойствами цельного лома, и брикеты обладают рядом преимуществ в плане хранения и транспортировки. К тому же, в ходе процесса брикетирования можно извлекать смазочно-охлаждающие жидкости;
качественное оборудование позволяет получать брикеты высокой прочности необходимого сорта. Стружку разных литейных сортов следует хранить и перерабатывать раздельно.