Зміст
Введення
Глава 1. Сталь. Види сталі та їх термообробка
Загартування
Термомеханічна обробка
Термообробка хромистих сталей
Глава 2. Витяг стали з автомобільного брухту
Глава 3. Витяг сталі з сталевого брухту
Введення
Сталеплавильним заводам потрібно високопроцентний металевий брухт з високою щільністю, який використовується для завантаження в сталеплавильні печі. Однак більша частина високопроцентного брухту містить значну кількість забруднень, які мають негативний вплив на фізичні і хімічні властивості сталей, отримуваних з використанням такого брухту.
Одним з основних джерел низьковідсоткового сталевого брухту є старі автомобілі, які перед використанням піддають механічному ущільнення.
Глава 1. Сталь. Види сталі та їх термообробка
Відпал.
Отжигом називають термообробку, спрямовану на отримання в металах рівноважної структури. Будь-який відпал включає в себе нагрів до певної температури, витримку при цій температурі і подальше повільне охолодження. Мета відпалу - зменшити внутрішні напруження в металі, зменшити міцнісні властивості і збільшити пластичність. Відпал ділять на відпал 1 роду і 2 роду.
Відпал 1 роду - це такий вид відпалу, при якому не відбувається структурних змін, пов'язаних з фазовими перетвореннями.
Відпал 1 роду в свою чергу поділяють на 4 групи:
1. Гомогенізація - відпал, спрямований на зменшення хімічної неоднорідності металів, що утворюється в результаті рекристалізації. На відміну від чистих металів, все сплави після кристалізації характеризуються нерівноважної структурою, тобто їх хімічний склад є змінним як у межах одного зерна, так і в межах всього злитка.
Хімічна неоднорідність зумовлена різною температурою плавлення вихідних компонентів. Чим менше ця різниця, тим більш помітна хімічна неоднорідність, що виходить в зливку. Позбавиться від неї неможливо, можна тільки зменшити. Для цього застосовують високотемпературний відпал з тривалими витримками (від 2 до 48 годин). При високій температурі рухливість атомів в кристалічній решітці висока і з плином часу за рахунок процесів дифузії відбувається поступове вирівнювання хімічного складу. Однак усереднення хімічного складу відбувається в межах одного зерна, тобто усувається в основному дендритная ізоляція. Щоб усунути зональну ликвацию (хімічну неоднорідність в межах частини злитка), необхідно витримувати зливки при даній температурі протягом декількох років. А це практично неможливо.
У процесі відпалу на гомогенізацію відбувається поступове розчинення нерівноважних интерметаллидное фаз, які можуть утворитися в результаті кристалізації з великою швидкістю. При подальшому повільному охолодженні після відпалу такі нерівноважні фази більше не виділяються. Тому після гомогенізації метал має підвищеною пластичністю і легко піддається пластичній деформації.
2. Рекристаллизационного відпал. Холодна пластична деформація викликає зміна структури металу та його властивостей. Зсувна деформація викликає збільшення щільності дефектів кристалічної решітки, таких як вакансії, дислокації. Освіта комірчастої структури відбувається зі зміною форми зерен, вони сплющуються, витягуються в напрямку головної деформації. Всі ці процеси ведуть до того, що міцність металу поступово збільшується, пластичність падає, тобто виникає наклеп або нагартовка. Подальша деформація такого металу неможлива, тому що відбувається його руйнування. Для зняття ефекту зміцнення застосовують рекрісталлізаціонний відпал, тобто нагрівання металу до температур вище початку кристалізації, витримку з подальшим повільним охолодженням. Температура нагріву залежить від складу сплаву. Для чистих металів температура початку рекристалізації t p = 0,4 Тпл, º К, для звичайних сплавів близько 0,6 Тпл, для складних термоміцністі сплавів 0,8 Тпл. Тривалість такого відпалу залежить від розмірів деталі і в середньому складає від 0,5 до 2 годин. У процесі рекристаллизационного відпалу відбувається утворення зародків нових зерен та подальше зростання цих зародків. Поступово старі деформовані зерна зникають. Кількість дефектів у кристалічній решітці зменшується, наклеп усувається, і метал повертається в початковий стан.
Ступінь деформації визначає розмір зерна після відпалу. Якщо вона близька до критичної (e кр = 5-15%), то в результаті після відпалу в металі виникають великі зерна, що зазвичай небажано. Тому перед рекристаллизационного відпалом деформацію металів роблять зі ступенем 30-60%. У результаті виходить дрібнозерниста однофазна структура, що забезпечує хороше поєднання міцності і пластичності. Збільшення ступеня деформації до 80-90% викликає поява в металі текстури деформації. Після рекристаллизационного відпалу текстура деформації змінюється на текстуру рекристалізації. Як правило, це супроводжується різким спрямованим зростанням зерна. Збільшення розмірів зерна, тобто зниження механічних властивостей, може викликати також надто велика температура відпалу або велика витримка. Тому при призначенні режимів відпалу необхідно використовувати діаграму рекристалізації.
Рекрісталлізаціонний відпал може застосовуватися як попередня, проміжна, так і як остаточна термообробка. Як попередня термообробка він застосовується перед холодної деформацією, якщо початковий стан металу нерівноважний і має якусь ступінь зміцнення. Як проміжна операція рекрісталлізаціонний відпал застосовується між операціями холодної деформації, якщо сумарна ступінь деформації занадто велика і запасів пластичності металу не вистачає. Як остаточний вигляд відпалу його застосовують в тому випадку, якщо споживач вимагає постачання напівфабрикатів у максимально пластичному стані. У деяких випадках споживачеві потрібно напівфабрикат, що поєднує певний рівень міцності з необхідним запасом пластичності. У цьому випадку замість рекристаллизационного відпалу використовують його різновид - відпал на полигонизацию. Відпал на полигонизацию проводять при температурі, яка нижче температури початку рекристалізації. Відповідно при такій температурі відбувається лише часткове усунення наклепу за рахунок процесів повернення другого роду, тобто відбувається зменшення щільності дефектів кристалічної решітки, освіта комірчастої дислокаційної структури без зміни форми зерен. Ступінь зменшення наклепу залежить, перш за все, від температури. Чим ближче температура до порога рекристалізації, тим менше наклеп, тим більше пластичність і навпаки.
3. Відпал для зняття внутрішніх напружень. Внутрішні напруги в металі можуть виникати в результаті різних видів обробки. Це можуть бути термічні напруги, що утворилися в результаті нерівномірного нагрівання, різної швидкості охолодження окремих частин деталі після гарячої деформації, лиття, зварювання, шліфування і різання. Можуть бути структурними, тобто що з'явилися в результаті структурних перетворень, що відбуваються всередині деталі в різних місцях з різною швидкістю. Внутрішні напруження в металі можуть досягати великої величини і, складаючись з робітниками, тобто виникають при роботі, можуть несподівано перевищувати межу міцності і приводити до руйнування. Усунення внутрішніх напружень проводиться за допомогою спеціальних видів відпалу. Цей відпал проводиться при температурах нижче температури рекристалізації: t отж = 0,2-0,3 Тпл º К. Підвищена температура полегшує ковзання дислокацій і, під дією внутрішніх напружень, відбувається їх перерозподіл, тобто з місць з підвищеним рівнем внутрішніх напруг дислокації переміщуються в області з пониженим рівнем. Відбувається як би розрядка внутрішніх напружень. При нормальній температурі цей процес буде тривати протягом декількох років. Збільшення температури різко збільшує швидкість розрядки, і тривалість такого відпалу становить кілька годин.
Відпал другого роду - термообробка, спрямовану на отримання рівноважної структури в металах і сплавах, що зазнають фазові перетворення.
При відпалі другого роду нагрів і наступне охолодження може викликати як часткову, так і повну заміну вихідної структури. Повна заміна в результаті подвійної перекристалізації дозволяє кардинально змінити будову сплаву, зменшити розмір зерна, зняти наклеп, усунути внутрішні напруги, тобто повністю змінити структуру і властивості деталі. Відпал другого роду може бути повним і неповним.
Повний відпал супроводжується повною перекристалізацією. При неповному відпалі структурні перетворення відбуваються не повністю, з частковим збереженням початкової фази. Неповний відпал застосовується в тих випадках, коли можна змінити будову другої фази, яка зникне і знову з'являється при цьому виді відпалу.
Загартування
Загартовування - це термообробка, спрямовану на отримання у сплаві максимально нерівноважної структури і відповідно аномального рівня властивостей. Будь-яка гарт включає в себе нагрівання до заданої температури, витримку і подальше швидке різке охолодження. Залежно від виду фазових перетворень, що відбуваються в сплаві при загартуванню, розрізняють загартування з поліморфним перетворенням і загартування без поліморфного перетворення.
Гарт з поліморфним перетворенням. Цей вид гарту застосовується для сплавів, в яких один з компонентів має поліморфні перетворення.
При загартуванню з поліморфним перетворенням нагрів металу виробляється до температури, при якій відбувається зміна типу кристалічної решітки в основному компоненті. Освіта високотемпературної поліморфної структури супроводжується збільшенням розчинності легуючих елементів. Подальше різке охолодження веде до зворотного зміни типу кристалічної решітки, однак через швидке охолодження в твердому розчині залишається надмірний вміст атомів інших компонентів, тому після такого охолодження утворюється нерівноважна структура. У металі зберігаються внутрішні напруги. Вони викликають різку зміну властивостей, збільшується міцність, зменшується пластичність. При швидкому охолодженні перебудова кристалічної решітки відбувається за рахунок одночасного зміщення цілі груп атомів. У результаті замість звичайних зерен в металі з'являється голчаста структура, яка називається мартенситом. Неравновесное стан металу після такого типу гарту є термодинамічно нестійкою. Тому, щоб перевести метал у більш стійкий стан, отримати необхідний рівень внутрішніх напружень, а відповідно і необхідні механічні властивості, застосовують додаткову термообробку, яку називають відпал.
Загартування без поліморфного перетворення.
Застосовується для сплавів, які не відчувають поліморфних перетворень, але мають обмежену розчинність одного компонента в іншому.
Якщо сплав, який містить вторинні фази, нагріти до температури вище лінії солидус, то збільшення розчинності призведе до розчинення вторинних фаз. Якщо тепер такий твердий розчин швидко охолодити, то виділення вторинних фаз утворитися не встигне, т.к для цього потрібен час на проходження процесу дифузії, освіта інший кристалічної решітки, меж розділу між фазами. У результаті, при нормальній температурі пересичений метастабільний твердий розчин містить надлишок другого компонента. Така зміна структури змінює властивості сплаву, міцність може, як збільшитися, так і зменшитися, а пластичність, як правило, збільшується. Стан металу після такого гарту є термодинамічно нестійкою. Спонтанно або під впливом попереднього нагрівання метастабільний твердий розчин починає розпадатися з виділенням вторинної фази, тобто α м ® α + β ІІ. Цей процес називається старінням.
Таким чином, старіння - це термообробка, що проводиться після гарту без поліморфного перетворення, спрямована на отримання в сплаві більш рівноважної структури і заданого рівня властивостей.
Відпустка.
Відпустка - термообробка, спрямовану на зменшення внутрішньої напруги в сплавах після гарту з поліморфним перетворенням. Утворення вторинних фаз після гарту з поліморфним перетворенням завжди супроводжується різким збільшенням внутрішніх. Відповідно максимально збільшуються міцність і твердість, до мінімуму падає пластичність. Щоб отримати необхідне співвідношення міцності і пластичності, такий сплав після гарту піддають додатковій термообробці: відпустки. Нагрівання викликає зменшення концентрації легуючих елементів в твердому розчині і виділення вторинних фаз.
Після гарту без поліморфного перетворення сплав має структуру пересиченого твердого розчину. Такий стан сплаву - нестабільне і з плином часу починає змінюватися. Пересичений твердий розчин розпадається з виділенням з нього дрібних включень вторинної фази. Цей процес проходить у декілька стадій:
На першій стадії в кристалічній решітці твердого розчину з'являються зони, збагачені атомами другого компонента. З плином часу ці зони збільшуються.
На другій стадії концентрація атомів другого компонента сягає величини, що відповідає за концентрацією виділення вторинної фази.
Наступає третя стадія, тобто формування в цих зонах проміжної кристалічної решітки, яка відрізняється то грати твердого розчину і від грат вторинної фази.
На четвертій стадії збільшення концентрації другого компонента призводить до утворення остаточної кристалічної решітки вторинної фази і освіти кордону розділу між твердим розчином і вторинної фазою. Так як процес розпаду твердого розчину заснований, перш за все, на дифузійних процесах, то він значною мірою заздрості від температури. Чим вище температура, тим швидше йде процес розпаду. Якщо температура нормальна, то процес розпаду називається природним старінням, а якщо температура підвищена, то - штучним старінням. У результаті, після старіння структура сплаву являє собою зерна твердого розчину рівноважного хімічного складу, з рівномірно розподіленим за обсягом, величезною кількістю дрібних виділень вторинної фази. Ці виділення, розташовуючись на площинах ковзання, перешкоджають переміщенню дислокацій, вимагають збільшення сколюють. Відповідно, міцність і твердість сплаву збільшуються.
Хіміко-термічна обробка (ХТО).
Це одночасний вплив на метал хімічного середовища, тепла з метою спрямованої зміни складу та властивостей поверхні деталі. Різні види ХТО спрямовані або на підвищення корозійної стійкості, або міцності і твердості, зносостійких, антифрикційних властивостей. Змінюючи склад хімічної середовища, можна в одних і тих же деталях отримувати різні властивості.
Термомеханічна обробка
Це поєднання пластичної деформації, зміцнюючої термообробки, причому утворюється в результаті деформації наклеп зберігається і впливає на фазові перетворення, що відбуваються під час термообробки.
Таке комплексне вплив на метал дозволяє отримати рівень властивостей в металі більш високий, ніж можна отримати після деформації або після термообробки окремо.
Корозійностійкі стали
Корозією називають руйнування металу під дією хімічного або електрохімічного впливу під дією навколишнього середовища. Основні фактори впливу корозії та її вплив на економіку:
Економічний чинник - економічні втрати промисловості в результаті корозії.
Надійність експлуатації об'єктів або машин.
Екологічний фактор.
Види корозії:
Рівномірна (поверхнева).
Місцева (точкова).
Межкристаллитная (по межах зерен).
Корозія під напругою (ножова).
Електрохімічна корозія.
Межкристаллитная корозія (МКК).
Залізо не є корозійностійким металом. Чисте залізо активно взаємодіє з усіма елементами. Підвищити корозійностійкість можна введенням легуючих елементів, які викликають його пасивацію. Пасивація - ефект створення на поверхні сталевої деталі тонкої захисної плівки, подслоем якої є кисень. Результат - електронний потенціал стає позитивним і поверхня стає менш схильною до корозії. Підсилюють пасивацію Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особливо сильно впливає Cr.
Хімічний склад: Cr13-30%, Ni4-25%, Moдо 5%, Cuдо 1%. У залежності від
змісту легуючих елементів структура і властивості сталей можуть бути різними. Якщо сталь містить в основному Cr, який стабілізує ферит, то сталь буде феритної (низька твердість, низька міцність, висока пластичність). Якщо сталь містить в собі крім Cr C, то її структура буде мартенситной. Знаючи структуру сталі, можна прогнозувати її властивості і призначати режими термообробки. Для визначення, до якого структурного класу відноситься сталь, розроблена діаграма Шеффлера.
Екв. Ni =% Ni + 30 (% C) + 0,5 (% Mn).
Екв. Cr =% Cr +% Mo + 1,5 (% Si) + 0,5 (% Nb).
Cr підвищує корозійну стійкість тільки в тому випадку, коли його кількість в розчині перевищує 13%. Якщо кількість Crне дуже високо і при цьому сталь містить багато вуглецю, то відбувається взаємодія Crі з утворенням карбідів. Особливо енергійно освіта карбідів спостерігається на межах зерен. При цьому кількість Crв твердому розчині знижується. І якщо Cr менше 13%, то межі зерен стають незахищеними. У результаті корозія легко може пересилатися по межах, не зачіпаючи центрів зерен. Якщо швидкість охолодження велика, то карбіди по межах зерен утворюватися не встигають. Кількість Cr не знижується менше 13%. Якщо швидкість охолодження дуже мала, то при цьому спочатку утворюються карбіди по межах зерен. При цьому кількість Cr знижується, але за рахунок дифузії з центру зерна відбувається збільшення вмісту Cr і стійкість відновлюється. Якщо охолодження йде таким чином, що вміст Cr на кордонах не встигає збільшитися і залишається менше 13%, то така сталь схильна до міжкристалітної корозії. Щоб зробити сталь нечутливою до міжкристалітної корозії, потрібно:
Знизити вміст вуглецю та азоту.
Вводити в сталь інші карбидообразующие елементи більш сильні, ніж Cr (Ti, Nb).
Збільшити швидкість охолодження при термообробці.
Робити відпал.
Хромисті нержавіючі сталі.
Хромисті нержавіючі сталі є найдешевшими і тому найпоширенішими. Мінімальний вміст Cr13%. При вмісті Cr більше 13% стабілізується α - фаза (ферит) і ніяких поліморфних перетворень у таких сталях не відбувається. Нагрівання викликає тільки збільшення зерна. Тривала витримка при температурі близько 600-650 º С викликає поява в сталях интерметаллидное фази. Освіта такої фази сильно охрупчивается сталь, тому є небажаною. Повільне охолодження або тривала витримка при 500 º С викликає утворення упорядкованого твердого розчину, що також викликає крихкість сталі. Таку крихкість називають 475 º ної крихкістю. Збільшення температури вище 1000 º С викликає бурхливе зростання зерна і як наслідок зниження в'язкості, тобто сталь теж стає крихкою. Тому при всіх варіантах виготовлення деталей з цих сталей і їх термообробки необхідно уникати температурних інтервалів, за яких можливе охрупчивание і втрата в'язкості.
Термообробка хромистих сталей
Термообробка сталей залежно від необхідності може бути пом'якшувальною, тобто відпал або зміцнюючої, тобто гарт + відпустку. Відпал проводиться або для усунення крихкості, або для зняття наклепу, або для стабілізації хімічного складу та усунення схильності сталі до міжкристалітної корозії. Для усунення крихкості, викликаної появою упорядкованого твердого розчину, застосовують відпал з нагріванням 500-550 º С. Час витримки повинно бути менше, ніж τ min при появі крихкості 475 º. Швидкість охолодження 10 º С в хвилину. Для усунення наклепу, а так само σ-фази застосовують другий варіант відпалу з температурою 850-900 º С. Швидкість охолодження 10 º С в хвилину. Третій варіант відпалу застосовується для масивних деталей, коли потрібно стабілізувати зміст Cr по перерізу деталі, щоб уникнути схильності сталі до міжкристалітної корозії. Витримка від 2 до 4 годин. Для хромистих сталей мартенситного класу застосовують зміцнюючої термообробки: загартування + відпустку. Можливе застосування однієї гарту без відпустки, якщо деталь невеликих розмірів або охолодження йде на повітрі. Для хромистих сталей мартенситного класу охолодження в будь-якому випадку дає мартенситную структуру. Тому застосування охолоджуючих середовищ (вода, масло) не потрібно. Лише охолодження піччю викликає ферритно-карбідну структуру. Такий же структури можна домогтися після гарту і відпустки при температурі 650 º С.
Найбільша твердість досягається після гарту. У цьому стані сталь має найвищу корозійною стійкістю, т.к Cr знаходиться в твердому розчині. Якщо потрібно зберегти твердість і корозійну стійкість, то відпустку стали проводять при температурі 250-350 º С. А якщо потрібна підвищена в'язкість, то проводять високий відпустку (650 º С).
Склад, структура і властивості хромистих сталей.
Основні легуючі елементи:
Cr-13-28%.
С - 0,05-1%.
Ti, Nb <1% - вводяться для стабілізації сталі.
Ni, Cu, Mo-вводяться для підвищення корозійної стійкості і в'язкості.
Хромисті сталі ділять на:
Cr 13%.
Cr 17%.
Cr 25-27%.
Збільшення вмісту вуглецю викликає в хромистих сталях мартенситне перетворення, так само поява карбідів. Чим більше карбідів і С, тим
За змістом вуглецю сталі ділять на:
Стали феритного класу (08Х13, 08Х17, 05Х27).
Стали ферритно-мартенситного класу (12Х13).
Стали мартенситного класу (20Х13, 30Х13, 40Х13).
Стали з мартенситом + карбіди (65Х16, 95Х18Ш).
У залежності від структури стали змінюються її властивості і призначення. Стали феритного класу з усіх хромистих відрізняються найкращою пластичністю. З них виготовляють листи та інші напівфабрикати для виготовлення деталей із застосуванням зварювання. З усіх хромистих стали феритного класу добре піддаються зварюванню. При використанні стали слід пам'ятати, що вона може охрупчивается при повільному охолодженні, а так само при збільшенні зерна. Тому в ці стали додають Tiі Nb, які утворюють карбіди. Такі стали називають стабілізованими. Для сталей феритного класу застосовують відпал у різних варіантах - 1, 2, іноді 3.
Стали мартенситного класу відрізняються високою твердістю і міцністю, тому їх використовують для виготовлення деталей, які повинні зберігати високу міцність і твердість при роботі в агресивних середовищах. Для таких сталей проводять гарт + низький відпустку.
Стали зі структурою мартенсит + карбіди мають велику кількість карбідів хрому. Вони використовуються для виготовлення деталей, які працюють в агресивних середовищах при температурі від -150 до +250 º С. Твердість 57 HRC. Термообробка: загартування (1000-1150 º С - повітря) + відпал (250-350 º С).
Хромонікелеві сталі.
Якщо сталь крім Cr містить ще Ni, Mn, Mo, то її структура з феритної може змінитися на ферритно-аустенітних або навіть на чисту аустенітних. Тобто після охолодження на повітрі сталь зберігає аустенітних структуру, яка не змінюється ні при яких варіантах термообробки. При вмісті Ni> 10% сталь стає аустенітної. Аустеніт дозволяє отримати не тільки корозійну стійкість, але так само і високі технічні властивості. Сталь добре піддається обробці тиском, зварювання, зберігає властивості до 600-700 º С, не охрупчивается, не чутлива до холодноламкості, але сталь схильна до міжкристалітної корозії і її неможливо зміцнювати загартуванням. Термообробка: загартування + відпал.
І після гарту і після відпалу структура однакова, однакові і властивості. Загартуванню піддають тонкостінні вироби простої форми і невеликого розміру. Температура і загартування, і відпалу однакова і залежить від складу сталі. Якщо сталь містить тільки Cr, Ni, то температура не повинна перевищувати 950-1000 º С. Збільшення температури викликає різке зростання зерна і зниження характеристик. Охолодження при загартуванню повинно бути таким, щоб не потрапити в область виділення карбідів Cr. Зменшення вартості хромонікелевих сталей можна домогтися, якщо замість Ni вводити Mn.
Для того, щоб стабілізувати структуру, необхідно, щоб Cr <15%, Mn> 15%. Якщо умова не виконується, то ми отримуємо сталь з нестійким структурним станом. Для отримання стабільної аустенітної структури Ni замінюють частково (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообробка принципово не відрізняється від термообробки хромонікелевих сталей. Такий недолік хромонікелевих сталей, як схильність до зростання зерна, можна усунути, використовуючи для зварних деталей стали ферритно-аустенітного класу (15Х22Н5М5Т) або аустенітно-мартенситного класу (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенітно-мартенситного класу мають підвищеною твердістю. Чисто аустенітні стали схильні до корозії під напругою. Навіть найкращі аустенітні стали виявляються недостатньо стійкими при контакті з кислотами. Тому розроблені корозійно-стійкі сплави:
Fe - Ni - Cr (04ХН40МДТЮ).
Ni-Cr (ХН45В).
Ni-Mo (Н70МФ).
Cr - Ni - Mo (ХН65МВ).
Глава 2. Витяг стали з автомобільного брухту
Сталеплавильним заводам потрібно високопроцентний металевий брухт з високою щільністю, який використовується для завантаження в сталеплавильні печі. Однак більша частина високопроцентного брухту містить значну кількість забруднень, які мають негативний вплив на фізичні і хімічні властивості сталей, отримуваних з використанням такого брухту.
Одним з основних джерел низьковідсоткового сталевого брухту є старі автомобілі, які перед використанням піддають механічному ущільнення. Зазвичай з автомобіля спочатку знімають двері, кришку багажника і капот, а залишився кузов і (або) раму розрізають з утворенням відносно великих панелей або секцій, які в свою чергу обробляють у каландруванню пристрої, отримуючи металеві фрагменти невеликих розмірів. Іноді отримане таким чином сировину піддають магнітної сепарації для грубого поділу чорних і кольорових металів. Потім матеріал стискають пресом або за допомогою падаючого молота для отримання листів, які потім ріжуть на смуги і пакетують. Іноді пакетування проводять відразу після каландрування, а в деяких випадках пакетують і великі частини без попереднього розрізання. У будь-якому випадку в результаті описаних процесів одержують металевий брухт з відносно низькою щільністю та високим вмістом домішок.
Існує значна кількість підприємств з переробки корпусів автомобілів в металевий лом або для отримання з автомобілів стали. Однак цим підприємствам властивий ряд недоліків. Так, наприклад, на них часто використовується дуже доростоящее паливо, а тепло, що виділяється в плавильних печах, використовується неефективно. Крім того, відповідно до вимог охорони навколишнього середовища, такі підприємства повинні бути обладнані ефективними засобами для очищення газів, що відходять від містяться в них забруднюючих речовин.
У деяких випадках для зменшення вмісту домішок проводять їх випалювання з корпусів автомобілів. Однак при цьому не вдалося досягти задовільних результатів, оскільки горіння на відкритому повітрі відбувається при відносно низьких температурах. Крім того, в багатьох районах проведення такого процесу випалювання заборонено законодавством з охорони навколишнього середовища. Лом, одержуваний з автомобілів описаними вище способами, не знаходить широкого застосування і попит на старі автомобілі для отримання металобрухту невеликий. У результаті цього все більша кількість покинутих утиля автомобілів накопичується на вулицях і дорогах деяких районів. Зважаючи на велику кількість таких автомобілів видалення їх на звалище, після демонтажу деталей, які можуть бути використані повторно, стає серйозною проблемою.
Процес, розроблений П.Є. Райнхарт здійснюється на установці з переробки автомобілів, де автомобілі принаймні частково розбирають, переробляють і перетворюють на продукти. Установка призначена для переробки корпусів та частин автомобілів з використанням дешевих джерел палива при ефективному використанні залишкового тепла, що утворюється в процесі горіння. Установка для переробки автомобілів дозволяє максимально використовувати тепло, що виділяється при плавленні автомобілів, і не викликає істотного забруднення навколишнього атмосфери.
Розташування обладнання, що використовується для проведення такого процесу, показано на рис.1. Установка складається з печі 7, в яку через люк 3 подаються використані автомобільні шини, які є джерелом палива. Для завантаження шин в піч може бути використаний стрічковий транспортер 4. У печі знаходиться кілька пальників 5, які служать для запалення шин в печі, а також для додаткового підігріву. Пальники можуть працювати на будь-якому відомому паливі.
Нижня частина печі виконана у вигляді похилої поверхні 6 з отворами 7, призначеними для видалення золи з печі. Таким шляхом з системи віддаляється не тільки зола, але і сталеві шипи, які накопичуються при спалюванні шипованих шин. Сталеві шипи видаляють через центральний отвір 8, розташоване на гребені похилій поверхні. Бажано розташувати в нижній частині печі вібратор 6, сприяє видалення золи і сталевих шпильок з печі.
Під отвором 8 знаходиться контейнер 9 для збору сталевих шипів. Сталь, яку видобувають із шипованих шин, може бути спрямована на подальшу переробку і використана для виробництва інших деталей. Безпосередньо над піччю, під деяким кутом до неї розташована транспортувальна система 10 для подачі утиля автомобілів / / в реактор для переробки автомобілів. Транспортер знаходиться в безпосередній близькості від печі і завдяки цьому тепло, випромінюване печио, може бути афективно використано для випалювання небажаних матеріалів та ініціювання процесу плавлення автомобілів.
Переважно, щоб транспортувальна система і подаються по ній автомобілі були розташовані в трубі 12 для того, щоб випромінюване тепло, яке надходить до автомобілів, не розсіювалася в повітря. Хоча на схемі транспортер 10 зображено практично паралельним до верхньої частини печі, він може бути встановлений під деяким нахилом до печі.
Гарячий газ виходить з печі через отвір 13 і контактує з вагранки приблизно в тому місці, де в неї подаються автомобілі. Таким чином, подаються автомобілі спочатку піддаються нагріву під час транспортування над піччю, а потім дії газу з дуже високою температурою, що виходить з печі. У результаті цього досягається ефективне плавлення надходять автомобілів.
Оскільки газ, що виходить з печі, повідомляється з вагранки, він є одним з основних джерел його обігрівання. Проте для проведення процесу плавлення в багатьох випадках потрібен додатковий нагрів. Для цієї мети можуть бути використані вугільні електроди 14, виділяють потужність, наприклад 3200 кВ-А. Електроди встановлені таким чином, що їх можна занурювати в розплавлену сталь для повного переведення її в рідкий стан. Застосування вугільних електродів дозволяє підвищити температуру в вагранки до 1650 ° С і навіть вище. Електроди можуть автоматично переміщатися у вертикальному - напрямку, причому може бути задано будь-яку відстань між поверхнею розплавленого металу і електродами. Після повного перекладу стали, вміщеній в вагранку, в розплавлене стан, вугільні електроди автоматично видаляються з вагранки. Нижня частина вагранки 15 має нахил, який дозволяє легко видаляти з неї розплавлену сталь.
Після повного перекладу сталі, що знаходиться у вагранці, в розплавлене стан, сталь виводять через отвір 16, що знаходиться в нижній частині вагранки, і подають у баки-збірники 17, розташовані на стрічковому транспортері 18. У баку-збірці відбувається розшарування розплавленої сталі на більш важкий шар стали 19, що знаходиться внизу і на більш легкий шар шлаку, що знаходиться над сталлю. Через деякий час, після того як відбувається достатнє поділ шлаку і сталі, сталь зливають з бака-збірки через те що у ньому отвір і подають для подальшої переробки, наприклад на прокатний стан, для виробництва легких будівельних конструкцій, таких як армуючі стрижні, стійки огорож і т.п. Що залишився шлак може бути утилізований будь-яким з відомих способів. Баки-збірки можуть бути закріплені на транспортері і після видалення вмісту транспортер знову повертає їх до вагранки для повторного використання.
Як вже було сказано, освіта розплаву в вагранці відбувається за рахунок гарячих пічних газів і нагріву вугільних електродів. Гарячі гази, що виходять з печі і з вагранки, безперервно видаляються з системи через горизонтальний газохід 21, в якому розташований ряд пристроїв, що дозволяють ефективно використовувати тепло відхідних газів. Наприклад, у газоході 21 знаходяться плавильні апарати 22, 23 і 24, у яких може проводитися плавка окремих деталей, які попередньо були зняті з автомобіля. При цьому частини, для плавлення яких необхідна найвища температура, подають на плавлення в апарат, найближчий до вагранки. Так, наприклад, в апараті 22 для виплавки міді переробляють генератори змінного струму, радіатори, стартери, регулятори напруги і т.п. Інший плавильний апарат, не показаний на схемі, може бути використаний для переробки моторного блоку автомобілів. Після розбирання мотора і відділення сталевих частин, чавунні частини мотора завантажують в плавильний апарат, де отримують розплав, який продають ливарним заводам.
В апараті для виплавки цинку 23 можна переробляти коробки передач, карбюратори і т.п., а в апараті для плавки скла - плавити всі скляні деталі автомобіля. У газоході 21 можуть бути встановлені й інші плавильні апарати, а також інші пристрої для утилізації тепла, наприклад елементи 25, 26 і 27, що виробляють водяну пару для парових котлів. Після проходження через всі описані вище пристрої газ, що виходить за газоходу, піддають подальшому охолодженню і очищенню перед викидом в атмосферу. Для цієї мети газохід 21 виконаний з розширеною частиною 28, причому між внутрішньою стінкою розширеної частини і зовнішньою стінкою газоходу є зазор 29, через який в систему потрапляє холодний навколишнє повітря.
У розширеній частині газоходу є також вентиляційні отвори 30, розташовані під кутом до потоку газів, що відходять. Вступник через них повітря ефективно змішується з пройшли гарячим газом, в результаті чого відбувається рівномірне охолодження відхідних газів. Після вентиляційних отворів в розширеній частині газоходу знаходяться розпилюючі форсунки 31, службовці для видалення з газів залишилися домішок. За допомогою насоса 32, який розташований в кінці горизонтального газоходу і створює розрідження, газ виводять в атмосферу при значно зниженій температурі, причому він практично не містить домішок.
Рис.1. Схема процесу виділення стали і Інших компонентів з автомобільного брухту: - автомобільний лом; 2 - розбирання; 3 - гума (шини), 4 - сталь (кузов і рама); 5 - лиття (моторний блок); 6 - запасні частини иа продаж; 7 - віконне скло, 8 - цинк (трансмісії, карбюратори); 9 - мідь (генератори, стартер); 10 - спалювання шин; 11 - електрична піч (плавлення); 12 - сталь, 13 - лиття; 14 - зола; 15 - сталеві накладки иа колеса; 16 - електрична піч (витяг); 17 - піч; 18 - лиття на продаж; 19 - прокатний стан; 20 - конструкційні матеріали - армуючі стрижні, стійки огорож; 21 - піч для видалення шаруватого покриття; 22 - плавильна піч, 23 - товарний продукт
Описана вище установка для переробки автомобілів дозволяє досягти максимального використання вироблених тепла й ефективно переробляти практично всі частини автомобіля, зокрема такі як зношені шини, використовувані в якості дешевого палива. Перевагою такого палива є можливість створення в печі дуже високих температур, оскільки в матеріалі шин міститься сірка.
Глава 3. Витяг сталі з сталевого брухту
У металургії, зокрема в ливарному виробництві, при отриманні чавуну і сталі, в плавильні печі завантажують металевий лом. На ливарних заводах металобрухт є головним джерелом сировини, використовуваного для одержання металевих виливків. При виробництві сталі і чавуну в піч завантажують великі кількості брухту в суміші із залізною рудою. Застосування знаходять різні типи металобрухту, зокрема листові обрізки, залишки від штампування, стружки, заслінки, стояки та брухт виливків. Все більш широке використання знаходить брухт автомобільних частин, таких як розбиті моторні блоки, коробки передач і диференціали.
Однією з серйозних проблем при використанні металевого брухту є те, що він містить різні забруднення, такі як масла й змащення, особливо у разі автомобільного брухту. При зберіганні брухту на відкритому повітрі він захоплює вологу. Завантаження такого забрудненого металобрухту в піч небажана, оскільки волога та інші легко летючі матеріали, зокрема мастила, швидко переходять в обсяг печі і можуть призвести до вибуху. Крім того, масла й змащення, які не випарувалися при нагріванні, будуть забруднювати розплавлений метал.
При завантаженні в піч холодного металобрухту час досягнення температури плавлення сировини і навантаження на піч будуть вище ніж при використанні попередньо нагрітого брухту. Тому на багатьох ливарних заводах для збільшення продуктивності печі та ефективності процесу брухт підлягають попередньому нагріву. Для нагрівання металобрухту і для видалення з нього вологи мастил або масел розроблені різні типи обладнання. Зокрема для попереднього нагрівання використовують транспортер, по якому металобрухт переміщається під кожухом. У кожусі розміщені пальники, полум'я яких направлено на металобрухт, що знаходиться на транспорті; таким чином випалюються мастила і волога і відбувається підігрів брухту.
Використання систем даного типу для підігріву металу пов'язане із забрудненням навколишнього середовища виділяється димом і незгорілих вуглеводнів. Одним із шляхів зменшення кількості незгорілих вуглеводнів є подача в кожух надлишкової кількості повітря для повного спалювання мастил та масел, що містяться у брухті. Надлишок повітря може подаватися в пальника, або навколишнє повітря може бути впущений під кожух. Однак при наявності надлишкової кількості повітря відбувається небажане окислювання металу. Для того, щоб уникнути окислення, описувані системи підігріву зазвичай працюють у відновній атмосфері. Утворений газ з високою концентрацією незгорілих вуглеводнів в деяких випадках викидають в атмосферу. В інших процесах гази, що виходять з печі, перед викидом в атмосферу подають для очищення в дожігателі.
Ще одним недоліком системи підігріву в кожусі є нерівномірний підігрів металобрухту. Товщина шару брухту може змінюватися по довжині транспортера. Крім того, оскільки пальники розташовані на деякій відстані один від одного, лом, розташований безпосередньо під пальниками, буде нагріватися сильніше, ніж сировина, що знаходиться в проміжках між ними. Пальники найбільш сильно нагрівають верхню поверхню брухту. Бічні і нижня частина сировини одержують менше енергії і в результаті нерівномірності нагрівання знаходяться на цих частинах забруднення віддаляються в меншій мірі.
У бічних стінках кожуха є подовжена камера згоряння та канали, розташовані між камерою згоряння і внутрішньою частиною кожуха. За допомогою вентилятора незгорілі вуглеводні з внутрішньої частини кожуха по каналах засмоктуються в камеру згоряння. У простір між транспортером і бічними стінками кожуха подається повітря, який по бічних каналах також надходить у камеру згоряння, де відбувається повне згоряння вуглеводнів, що дозволяє зменшити забруднення навколишнього атмосфери. Довжина кожуха з розташованими на ньому пальниками перевищує протяжність металобрухту, розташованого на транспортері.
У процесі роботи транспортер періодично пересувається на невелику відстань, в результаті чого відбувається переміщення і перемішування сировини. У процесі переміщення працюють тільки ті пальники, які розташовані над металобрухтом. Спочатку пальники дають окисляє полум'я, а після вигоряння вуглеводнів, присутніх у брухті, створюється відновлює полум'я для того, щоб запобігти сильне окислювання металу.
Електротермічна виплавка сталі з металобрухту зазвичай проводяться за допомогою електродугових печей. Проте в певних випадках може бути застосовано і інше плавильне устаткування, наприклад індукційні печі. Перевагами електродугової печі є можливість концентрації великих кількостей енергії і, отже, висока продуктивність, незалежність від фізичних властивостей подається сировини (хоча ці властивості будуть істотно впливати на витрату енергії), а також можливість контролю за шлакоутворення. Однак ці печі мають і ряд недоліків, зокрема створюють значний шум у процесі плавки і сильні флуктуації в споживаної напрузі, що призводить до необхідності великого числа ліній електропередачі. Крім того, спостерігаються значні втрати металу, зумовлені безпосередньою дією електричної дуги на металобрухт на стадії плавлення і на розплавлену сталь на стадії рафінування. Втрати заліза також пов'язані з утворенням відносно великої кількості шлаку, що має значний вміст заліза. Електродугова піч має також недостатньо високий тепловий к. п. д. Як інших недоліків можна відзначити іонізацію в дузі і абсорбцію азоту, присутнього в газовій фазі, необхідність використання дорогих графітових електродів і обмежену ємність пічне, пов'язану з обмеженими розмірами графітових електродів. Крім цього в процесі роботи печі відбувається сильний знос вогнетривкої футеровки, зумовлений як сильними температурними впливами, так і механічними і хімічними факторами.
Метод призначений для усунення зазначених вище недоліків при збереженні всіх переваг, характерних для електродугових печей. Метою процесу є поліпшення видаткових коефіцієнтів н технологічних параметрів, а також досягнення найбільшої термічної і металургійної ефективності використовуваної апаратури. Для усунення недоліків проводять безперервне плавлення металобрухту у ванні, постійно покритої шаром шлаку, причому нагрів проводиться за допомогою електродів, занурених у шар шлаку.
Схема апарату для проведення такого процесу представлена на рис.3. Стаціонарна електродугова піч нагрівається за допомогою електродов1, переважно відпалених вугільних електродів, наприклад електродів Седерберг. У кришці печі 3 є пристрій 8 для безперервної подачі подрібненого металобрухту. Через пристрій 2 в піч подаються великі порції брухту, в яких окремі частини з'єднані, наприклад зварюванням.
Усередині печі товстий шар шлаку 4 постійно покриває розплав металу 6, причому електроди занурені в шар шлаку 4. Відведення шлаку проводиться через зливну трубу 7. Нижче розташована труба 5 для зливу металу; місце її розташування залежить від мінімальної товщини шару шлаку.
Застосовуваний метод передбачає отримання в печі безперервної шару шлаку, що має певну товщину і температуру, занурення електродів печі в шлаковий шар, попередній підігрів подається сировини до необхідної температури і регулювання швидкості подачі брухту відповідно до швидкості процесу.
Оскільки електроди занурені в шар шлаку і не контактують з подаються сировиною, то теплопередача від шлакового шару до сировини здійснюється безперервно, при проходженні металобрухту через шар шлаку. У результаті цього вдається уникнути протікання хімічних реакцій на поверхні розділу сировина - шлак і втрат тепла за рахунок випромінювання, а також забезпечити постійне протікання процесів декарбонізації, десульфурацін і дефосфорации подається сировини.