5 Общие сведения о литейном производстве

Реклама
Министерство природных ресурсов
и охраны окружающей среды
Республики Беларусь
ПОСОБИЕ В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
П-ООС 17.02-ХХ-2012 (02120)
Постановление Министерства природных
ресурсов и охраны окружающей среды
Республики Беларусь от 08.06.2009 № 38 «Об
утверждении инструкции о порядке сбора,
накопления и распространения информации о
наилучших доступных технических методах»
«Охрана окружающей среды и природопользование.
Наилучшие доступные технические методы в литейном
производстве»
Минск
П-ООС 17.02-02-2012
________________________________________________________________________
УДК
МКС 03.120; 13.020
КП 02
Ключевые слова: охрана окружающей среды, природопользование, наилучшие
доступные технические методы, комплексная оценка технологий
Предисловие
Цели, основные принципы, положения по государственному регулированию и
управлению в области технического нормирования и стандартизации установлены
Законом Республики Беларусь «О техническом нормировании и стандартизации».
Цели, основные принципы, положения по государственному регулированию и
управлению техническим нормированием и стандартизацией в области охраны
окружающей среды установлены Законом Республики Беларусь «Об охране
окружающей среды».
1 РАЗРАБОТАНО и ВНЕСЕНО Республиканским унитарным предприятием
«Центр международных экологических проектов, сертификации и аудита
«Экологияинвест»
2 УТВЕРЖДЕНО И ВВЕДЕНО В ДЕЙСТВИЕ ....
3 ВВЕДЕНО ВПЕРВЫЕ
Настоящее пособие не может быть воспроизведено, тиражировано и
распространено в качестве официального издания без разрешения Министерства
природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь
________________________________________________________________________
Издан на русском языке
II
П-ООС 17.02-02-2012
Содержание
1 Область применения ...................................................................................................... 1
2 Нормативные ссылки ...................................................................................................... 1
3 Термины и определения ................................................................................................. 1
4 Основные положения ..................................................................................................... 2
5 Общие сведения о литейном производстве ................................................................. 2
6 Процессы и технические методы, применяемые в литейной отрасли........................ 4
6.1 Общий обзор ............................................................................................................. 4
6.1.1 Процесс литья .................................................................................................... 4
6.1.2 Чугунное литье ................................................................................................... 7
6.1.3 Стальное литье .................................................................................................. 9
6.1.4 Алюминиевое литье ......................................................................................... 10
6.1.5 Медное литье ................................................................................................... 11
6.2 Изготовление моделей........................................................................................... 12
6.2.1 Изготовление общих моделей ........................................................................ 12
6.2.2 Быстрое прототипирование (RP) .................................................................... 13
6.3 Сырье и обработка сырьевых материалов ....................................................... 15
6.4 Плавка и обработка металла................................................................................. 17
6.4.2 Вагранные печи ................................................................................................ 19
6.4.3 Электродуговая печь (EAF) ............................................................................. 25
6.4.4 Индукционная печь (IF).................................................................................... 27
6.4.5 Печь с излучающим сводом (с нагревом сопротивлением).......................... 33
6.4.6 Роторная печь .................................................................................................. 34
6.4.7 Подовая печь.................................................................................................... 35
6.4.8 Шахтная печь ................................................................................................... 36
6.4.9 Тигельная печь ................................................................................................. 38
6.4.10 Подготовка расплава ..................................................................................... 39
6.4.11 Подготовка литейного металла .................................................................... 40
6.4.12 Легирование цветных металлов ................................................................... 43
6.5 Изготовление литейной формы и вставок ............................................................ 43
6.5.1 Сырье................................................................................................................ 44
6.5.2 Подготовка песка (транспортировка, просеивание, охлаждение,
смешивание) ............................................................................................................. 50
6.5.3 Формовка с помощью природного песка ........................................................ 51
6.5.4 Формовка с помощью песка связанного глиной (формовка сырой
формовочной смеси) ................................................................................................ 52
6.5.5 Формовка с помощью песка без связывающих составов (V-процесс) ......... 53
6.5.6 Формовка и создание пустот с помощью химических связывающих
составов..................................................................................................................... 54
6.5.7 Отливка с использованием одноразовой модели ......................................... 64
6.5.8 Подготовка постоянных (металлических) литейных форм ........................... 67
6.5.9 Прецизионное литье и керамическая оболочка ............................................ 68
6.6 Отливка ................................................................................................................... 70
6.6.1 Заливка в одноразовые литейные формы ..................................................... 70
6.6.2 Заливка в постоянные литейные формы ....................................................... 73
6.7 Операции конечной обработки и обработки после отливки ................................ 79
6.7.1 Удаление литниковой системы ....................................................................... 79
6.7.2 Удаление песка ................................................................................................ 80
6.7.3 Удаление облоев ............................................................................................. 81
6.8 Термобработка ....................................................................................................... 82
6.8.1 Введение .......................................................................................................... 82
III
П-ООС 17.02-02-2012
6.8.2 Печи для термообработки ............................................................................... 82
6.8.3 Закалка ............................................................................................................. 83
6.8.4
Термообработка
пластичного чугуна
(SG–чугун
(чугун
со
сфероидальным графитом) ..................................................................................... 83
6.8.5 Термобоработка стали .................................................................................... 85
6.8.6 Термообработка алюминия ............................................................................. 86
6.9 Контроль качества .................................................................................................. 87
7 Уровни выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, сбросов
загрязняющих веществ в составе отводимых сточных вод в окружающую среду,
образования отходов производства и потребления воды и энергии ........................... 87
7.1 Обзор массовых потоков ....................................................................................... 87
7.1.1 Введение .......................................................................................................... 87
7.2 Черные металлы – плавление и обработка металла .......................................... 88
7.2.1 Свойства плавильных печей для стали и чугуна ........................................... 88
7.2.2 Вагранки ......................................................................................................... 152
7.2.3 Дуговая электропечь...................................................................................... 156
7.2.4 Индукционная печь ........................................................................................ 158
7.2.5 Роторная печь ................................................................................................ 162
7.2.6 Рафинирование и обработка стали .............................................................. 164
7.3 Плавление и металлообработка алюминия ....................................................... 164
7.3.1 Обзор плавильных печей для алюминия ..................................................... 164
7.3.2 Шахтная печь ................................................................................................. 166
7.3.3 Индукционная печь ........................................................................................ 167
7.3.4 Печь со сводовыми радиационными нагревателями (печь
сопротивления) ....................................................................................................... 168
7.3.5 Подовая печь.................................................................................................. 168
7.3.6 Тигельная печь (печь сопротивления и работа основе сгораемого
топлива) ................................................................................................................... 168
7.3.7 Обработка расплавленного алюминия......................................................... 169
7.4 Плавление и литье меди и медных сплавов ...................................................... 169
7.4.1 Элементы плавления и литья ....................................................................... 169
7.4.2 Очистка расплавленной меди и медных сплавов ....................................... 171
7.5 Очистка газообразных отходов ........................................................................... 171
7.5.1 Системы снижения степени загрязнения ..................................................... 171
7.5.2 Диоксины ........................................................................................................ 172
7.6 Производство литейных форм и стержней ......................................................... 174
7.6.1 Введение ........................................................................................................ 174
7.6.2 Плавление с использованием песка на глиняной связке (плавление с
использованием зеленого песка)........................................................................... 177
7.6.3 Изготовление форм с использованием несвязанного песка (V-процесс) .. 178
7.6.4 Изготовление форм и стержней с использованием химически
связанного песка ..................................................................................................... 178
7.6.5 Нанесение формовочной краски на формы и стержни из химически
связанного песка ..................................................................................................... 182
7.6.6 Литье в невосстановимые формы (Литье по газифицируемым /
цельным моделям) ................................................................................................. 182
7.7 Литье ..................................................................................................................... 184
7.7.1 Литье, охлаждение и выбивка с использованием одноразовых форм ...... 184
7.7.2 Литье в постоянные формы .......................................................................... 193
7.8 Обработка и окончательная доводка отливок .................................................... 195
7.8.1 Скользящее шлифование ............................................................................. 195
7.8.2 Дробеструйная обработка ............................................................................. 195
IV
П-ООС 17.02-02-2012
7.8.3 Футеровка ....................................................................................................... 196
7.8.4 Операции подготовки отливок для дальнейшей обработки на
сталелитейных производствах .............................................................................. 196
7.9 Термическая обработка ....................................................................................... 196
7.10 Отработавшая вода ........................................................................................... 197
7.10.1 Источники отработавшей воды ................................................................... 197
7.10.2 Сточные воды от хранения металлолома.................................................. 197
7.10.3 Отработавшая вода из мокрых скрубберов, применяемых при плавках
в вагранках .............................................................................................................. 198
7.10.4 Отработавшая вода с участков литья, охлаждения и выбивки, а также
от изготовления литейных форм / подготовки песка............................................ 199
7.10.5 Отработавшая вода от изготовления литейных стержней ....................... 199
8 Методы, рассматриваемые при определении НДТМ для литейных заводов ........ 199
8.1 Хранение и подготовка сырья ............................................................................. 201
8.1.1 Введение ........................................................................................................ 201
8.1.2 Хранение под навесом и закрытые площадки для хранения лома ............ 201
8.1.3 Размеры хранилища для химических вяжущих составов ........................... 202
8.1.4 Использование чистого лома для плавки и удаление песка из
возвратного материала .......................................................................................... 203
8.1.5 Внутренняя рециркуляция черного металлолома ....................................... 205
8.2 Плавка металла и подготовка расплава ............................................................. 206
8.2.1 Вагранки ......................................................................................................... 206
8.2.2 Электродуговая печь ..................................................................................... 222
8.2.3 Индукционная электропечь ........................................................................... 224
8.2.4 Роторная печь ................................................................................................ 226
8.2.5 Выбор вагранки вместо индукционной или роторной печи для плавки
литейного чугуна ..................................................................................................... 229
8.2.6 Подовая печь.................................................................................................. 232
8.3 Изготовление литейных форм и стержней, включая подготовку
формовочного песка .................................................................................................. 232
8.3.1 Выбор типа литейной формы........................................................................ 232
8.3.2 Формовка с помощью песка с добавкой связывающей глины (сырая
формовочная смесь) .............................................................................................. 234
8.3.3 Формовка и изготовление стержней с помощью химически связанного
песка ........................................................................................................................ 236
8.3.4 Альтернативные методы изготовления форм/стержней ............................ 249
8.3.5 Подготовка постоянных (металлических) литейных форм и кокилей для
литья под давлением.............................................................................................. 252
8.4 Литье металла ...................................................................................................... 254
8.4.1 Увеличение выхода металла ........................................................................ 254
8.5 Газоочистка ........................................................................................................... 256
8.5.1 Общие принципы ........................................................................................... 256
8.5.2 Вагранка ......................................................................................................... 267
8.5.3 Электродуговая печь.................................................................................. 280
8.5.4 Индукционная электропечь ........................................................................... 284
8.5.5 Роторная печь ................................................................................................ 288
8.5.6 Тигельные и подовые печи ........................................................................... 289
8.5.7 Обработка металла ....................................................................................... 290
8.5.8 Изготовление литейных форм и стержней .................................................. 292
8.5.9 Отливка, охлаждение и выбивка .................................................................. 301
8.5.10 Операции шлифовки отливок: удаление и очистка отходящего газа ...... 304
8.5.11 Удаление и очистка отходящих газов после термообработки ................. 306
V
П-ООС 17.02-02-2012
8.6 Предотвращение образования сточных вод и их обработка ............................ 308
8.6.1 Меры по предотвращению образования сточных вод ................................ 308
8.6.2 Обработка воды, выходящей из скрубберов, и других потоков сточных
вод............................................................................................................................ 310
8.6.3 Пример завода, использующего меры по предотвращению и
уменьшению образования сточных вод ................................................................ 311
8.6.4 Маслоуловители ............................................................................................ 315
8.6.5 Восстановление амина из очищаемой воды ............................................... 315
8.6.6 Уменьшение количества гликолей в сточных водах, образующихся при
литье под давлением.............................................................................................. 317
8.7 Эффективность использования энергии ............................................................ 317
8.7.1 Введение ........................................................................................................ 317
8.7.2 Индукционная электропечь: использование вторичного тепла .................. 318
8.7.3 Вагранка: использование вторичной тепловой энергии ............................. 321
8.7.4 Уменьшение потерь энергии и улучшение предварительного подогрева
ковшей ..................................................................................................................... 322
8.8 Песок: регенерация, переработка, повторное использование и утилизация .. 323
8.8.1 Введение ........................................................................................................ 323
8.8.2 Переработка сырой формовочной смеси при оптимизированных
условиях (первичная переработка) ....................................................................... 329
8.8.3 Простая механическая переработка песка, отвердевающего в холодном
состоянии ................................................................................................................ 331
8.8.4 Холодная механическая переработка с помощью шлифовального круга . 332
8.8.5 Холодная механическая переработка с помощью ударного барабана ..... 336
8.8.6 Холодная переработка с помощью пневмосистемы ................................... 337
8.8.7 Термическая переработка ............................................................................. 339
8.8.8
Комбинированная
переработка
(механическая-термическаямеханическая) смешанных органическо-бентонитовых песков .......................... 343
8.8.9 Влажная регенерация песка ......................................................................... 346
8.8.10 Регенерация песка, после использования жидкого стекла, с помощью
пневматических систем .......................................................................................... 348
8.8.11 Внутреннее повторное использование неотвердевшей стержневой
смеси........................................................................................................................ 351
8.8.12 Повторное использование пыли, образовавшейся при подготовке
сырой формовочной смеси для изготовления литейных форм .......................... 351
8.8.13 Внешнее использование отработанной формовочной смеси и отходов
песка в рабочем цикле и процессах переработки ................................................ 352
8.9 Пыль и твердые отходы: обработка и повторное использование .................... 354
8.9.1 Введение ........................................................................................................ 354
8.9.2 Предварительная обработка для внешнего повторного использования
твердых отходов ..................................................................................................... 354
8.9.3 Минимизация процесса образования шлака ............................................... 357
8.9.4 Вагранка ......................................................................................................... 358
8.9.5 EAF .............................................................................................................. 363
8.10 Уменьшение шума .............................................................................................. 364
8.11 Вывод из эксплуатации ...................................................................................... 365
8.12 Средства экологического контроля ................................................................... 366
9 Наилучшие досупные технические методы для литейного производства ............. 368
9.1 Основные НДТМ (для литейной промышленности) ........................................... 369
9.1.1 Управление потоками сырьевых материалов.............................................. 369
9.1.2 Конечная обработка отливок ........................................................................ 369
9.1.3 Снижение шума .............................................................................................. 369
VI
П-ООС 17.02-02-2012
9.1.4 Сточные воды ................................................................................................ 370
9.1.5 Уменьшение выбросов .................................................................................. 370
9.1.6 Система управления окружающей средой (по ИСО 14001) ....................... 370
9.1.7 Процесс выведения из эксплуатации ........................................................... 372
9.2 Плавка черного металла ...................................................................................... 372
9.2.1 Выбор печи ..................................................................................................... 372
9.2.2 Плавление литейного чугуна в вагранке ...................................................... 372
9.2.3 Плавка стали и чугуна в дуговой электропечи ............................................. 373
9.2.4 Плавка литейного чугуна и стали в индукционной электропечи ................ 373
9.2.5 Плавка чугуна в роторной печи ..................................................................... 374
9.2.6 Обработка черных металлов ........................................................................ 374
9.2.7 Рекомендуемые при использовании НДТМ уровни выбросов ................... 374
9.3 Плавка цветных металлов ................................................................................... 375
9.3.1 Плавка алюминия и меди в индукционной электропечи ............................. 375
9.3.2 Плавка алюминия в роторных печах ............................................................ 376
9.3.3 Плавка алюминия и меди в подовой печи ................................................... 376
9.3.4 Плавка алюминия в шахтной печи................................................................ 376
9.3.5 Печь с излучающей крышкой для поддержания алюминия в
расплавленном состоянии ..................................................................................... 376
9.3.6 Тигельная плавка и поддержание алюминия и меди в расплавленном
состоянии ................................................................................................................ 376
9.3.7 Дегазация и очистка алюминия .................................................................... 376
9.3.8 Уровни выбросов определенные в НДТМ .................................................... 376
9.4 Отливка в одноразовые литейной формы .......................................................... 377
9.4.1 Формовка сырой формовочной смеси .......................................................... 377
9.4.2 Изготовление литейных форм и стержней из химически связанного
песка ........................................................................................................................ 378
9.4.3 Отливка, охлаждение и выбивка отливок из форм ..................................... 379
9.4.4 Уровни выбросов, определенные для НДТМ............................................... 380
9.5 Отливка в постоянные литейные формы ........................................................... 380
9.5.1 Уровни выбросов определенные в НДТМ .................................................... 381
10 Аварийные технологии для литейных заводов ....................................................... 381
10.1 Использование дешевых горючих материалов для плавки в вагранке .......... 381
10.2 Рециркуляция пыли, после осаждения на металлоносном фильтре
(черные металлы)....................................................................................................... 382
10.3 Восстановление амина путем инфильтрации отработанного газа,
выходящего в цехе по изготовлению стержней ....................................................... 383
10.4 Раздельное распыление разъединительных реагентов и воды при литье
алюминия в кокиль ..................................................................................................... 383
10.5 Неорганические связующие вещества, используемые для изготовления
стержней ..................................................................................................................... 385
Библиография ................................................................................................................ 388
VII
П-ООС 17.02-02-2012 (02120)
ПОСОБИЕ В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Охрана окружающей среды и природопользование
Постановление Министерства природных ресурсов и охраны окружающей
среды Республики Беларусь от 08.06.2009 № 38 «Об утверждении инструкции
о порядке сбора, накопления и распространения информации о наилучших
доступных технических методах»
«Охрана окружающей среды и природопользование.
Наилучшие доступные технические методы в литейном производстве»
Срок действия с 201Х-ХХ-01
до 201Х-ХХ-01
1 Область применения
Настоящее пособие в области охраны окружающей среды и природопользования
(далее - пособие) устанавливает наилучшие доступные технические методы в
литейном производстве.
Настоящее пособие не распространяется на:
- промышленные объекты для переработки черных металлов;
- литейные заводы и предприятия имеющие, литейные производства, на которых
осуществляется отливка черных металлов с производительной мощностью более 20
тонн в день;
- промышленные объекты для плавления, включая сплавление, цветных
металлов, включая регенерированные продукты (рафинирование, литейное
производство и т.д.), мощность плавления которых превышает 4 тонны в день для
свинца и кадмия или 20 тонн в день для всех остальных металлов.
Положения настоящего пособия носят рекомендательный характер и служат для
информирования
природопользователей
о
применяющихся
в
литейном
производстве и признанных среди них наилучшими, применение которых позволит
снизить нагрузку на компоненты природной среды, получить информацию о
возможности использования тех или иных технологий при выборе вариантов
технического перевооружения предприятия.
2 Нормативные ссылки
В настоящем пособии использованы ссылки на государсвтенные стандарты:
СТБ ИСО 14001-2005 Системы управления окружающей средой. Требования и
руководство по применению
3 Термины и определения
В настоящем пособии применяют следующие термины с соответствующими
определениями:
3.1 комплексное природоохранное разрешение: Документ, выдаваемый
специально уполномоченными государственными органами природопользователям,
осуществляющим экологически опасную деятельность, удостоверяющий право на
выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух, специальное
водопользование, хранение и захоронение отходов производства и иные виды
1
П-ООС 17.02-02-2012
вредного воздействия при соблюдении требований в области охраны окружающей
среды, установленных законодательством.
3.2 наилучшие доступные технические методы; НДТМ: Технологические
процессы, методы, порядок организации производства продукции и энергии,
выполнения работ или оказания услуг, проектирования, строительства и
эксплуатации сооружений и оборудования, обеспечивающие уменьшение и (или)
предотвращение поступления загрязняющих веществ в окружающую среду;
образования и (или) размещения отходов производства по сравнению с
применяемыми и являющиеся наиболее эффективными для обеспечения
нормативов
качества
окружающей
среды
при
условии
экономической
целесообразности и технической возможности их применения.
4 Основные положения
4.1 Под литейным производством в настоящем пособии понимают:
- литье черных металлов, например, чугуна с пластинчатым графитом, ковкого
чугуна и чугуна с шаровидным графитом, стали.
- литье цветных металлов, например, алюминия, меди и их сплавов.
4.2 Началом технологического процесса при рассмотрении цветных металлов в
настоящем пособии, считается плавка слитков и оборотных отходов, либо стадия, на
которой металл находится в расплавленном состоянии.
4.3 Настоящее пособие описывает следующие технологические этапы литья:
- изготовление моделей;
- хранение и транспортировка сырья;
- плавка и обработка металлов;
- производство литейных форм и стержней, а также технические методы
формования;
- литье или разливка и охлаждение;
- выбивка;
- подготовка отливки для дальнейшей обработки;
- термическая обработка.
5 Общие сведения о литейном производстве
5.1 На литейных заводах и предприятиях, имеющих литейные производства,
осуществляется плавка черных и цветных металлов и сплавов, а также
переформовка в продукцию такой же или аналогичной конечной формы посредством
разливки и затвердевания расплавленного металла или сплава в литейной форме.
Литейная отрасль характеризуется разнообразием. Она охватывает широкий спектр
промышленных объектов от мелких до очень крупных, на каждом из которых
осуществляется комбинация технологий и типовых технологических процессов,
соответствующих производственным ресурсам, размеру партий и типам продукции,
производство которой осуществляется на конкретном промышленном объекте. В
основе организации литейного производства лежит тип металла, причем главное
различие делается между литейными заводами и предприятиями имеющими,
литейные производства, на которых осуществляется отливка черных или цветных
металлов.
5.2 Европейская литейная отрасль является третьей по величине в мире по
литью черных металлов и второй по величине по литью цветных металлов. Годовой
объем продукции литейных изделий в Европейском Союзе после его расширения
достигает 11,7 миллионов тон литья из черных металлов и 2,8 миллионов тонн литья
из цветных металлов. Германия, Франция и Италия входят в первую тройку стран
Европы с общим годовым объемом производства более двух миллионов тонн литья
каждая. В последние годы Испания оттеснила с четвертого места Великобританию;
2
П-ООС 17.02-02-2012
объем производства этих двух стран превышает один миллион тонн литья. В общей
сложности, на долю стран первой пятерки приходится более 80 % общеевропейского
производства. Несмотря на то, что объем производства за последние несколько лет
характеризуется относительной стабильностью, наблюдается снижение общего
количества литейных заводов (в настоящее время около 3000 объектов), что также
отражается на количестве работников (в настоящее время общее количество
работников составляет около 260000 человек). Это объясняется прогрессивным
укрупнением и автоматизацией литейных заводов. Однако литейная отрасль
преимущественно состоит из мелких и средних предприятий, причем в 80%
компаний работает менее 250 человек.
5.3 Республика Беларусь располагает достаточно мощным литейнометаллургическим потенциалом. На предприятиях Беларуси действует около 150
литейных заводов и предприятий, имеющих литейные производства, более 170
термических цехов и участков.
5.4 Следует отметить, что литейные производства ориентированы на
изготовление отливок из готовой чушки или отходов (кусковой лом, стружка или
скрап), а не на производство металла из руды.
Основные виды литья:
-чугунное;
-стальное;
-алюминиевое;
- производство медных сплавов.
5.5 Металлургическую отрасль Беларуси представляют 7 предприятий, которые
на протяжении 1990-х гг. входили в структуру специального отдела управления
развития машиностроения и металлургии Министерства промышленности. Главное
предприятие отрасли – РУП «Белорусский металлургический завод» (БМЗ), на
который приходится около 95% всего объема производства черной металлургии в
стране, входит в число самых прибыльных предприятий белорусской экономики.
Металлургическая отрасль республики включает в себя также ОАО
«Могилевский металлургический завод» и РУП «Речицкий метизный завод»
(Таблица 5.1). Кроме того, в составе крупнейших заводов республики имеется более
150 литейных участков и цехов (малая металлургия), а также специализированный
литейный завод «Центролит».
Таблица 5.1 - Основные предприятия металлургической отрасли промышленности
Предприятие
РУП
«Белорусский
металлургический завод»,
г. Жлобин
ОАО
«Могилевский
металлургический завод»
РУП «Речицкий метизный завод»
Выпускаемая продукция
Арматурный, сортовой и фасонный прокат, стальная
катанка и проволока, металлокорд, стальная литая
заготовка
Стальные электросварные круглые и профильные
трубы
Болты, гайки, винты, гвозди всех типоразмеров
РУП «Белорусский металлургический завод» («БМЗ») – унитарное предприятие
металлургической отрасли Беларуси, относящееся к разряду современных минизаводов европейского уровня. РУП «БМЗ» внесено в государственный реестр
предприятий республики с высокотехнологичным производством. Успешной работе
предприятия способствует целенаправленная работа по модернизации и
техническому перевооружению производства.
Наиболее значимыми производителями чугунного литья являются:
- РУП «Минский тракторный завод»;
- ОАО «Минский завод отопительного оборудования»;
3
П-ООС 17.02-02-2012
- РУП «Минский автомобильный завод»;
- РУП «Гомельский завод «Центролит»;
- ОАО «Могилевский металлургический завод».
Основные производители стального литья - РУП «Минский автомобильный
завод», РУП «Минский тракторный завод», «Могилевский автомобильный завод им.
С.М.Кирова».
Основные производители алюминиевого литья – РУП «Минский моторный
завод», РУП «Могилевский лифтостроительный завод», РУП «Осиповичский завод
автомобильных агрегатов», РУП «Гомельский завод литья и нормалей», РУП
«Рогачевский завод «Диапроектор».
Литейные цеха и участки расположены более чем в тридцати городах и
населенных пунктах практически по всей территории республики. В
металлургическом производстве занято более 40 тысяч работающих. Кроме того, в
белорусском литейной производстве занято около 3 тыс. инженерных работников,
более 20 докторов и 100 кандидатов наук.
5.6 Основными рынками сбыта для литейной отрасли являются:
автомобилестроение (50 % рынка), общее машиностроение (30 %) и строительство
(10 %). Продолжающийся переход автомобильной промышленности к производству
более легких транспортных средств выразился в росте рынка литейных изделий из
алюминия. В то время как литейные изделия из чугуна преимущественно (т.е. >60 %)
предназначаются для автомобильного сектора, литейные изделия из стали находят
применение при строительстве, изготовлении оборудования и запорной арматуры.
6 Процессы и технические методы, применяемые в литейной отрасли
6.1 Общий обзор
6.1.1 Процесс литья
Общая схема литейного процесса отражена на Рисунке 6.1.
Процесс состоит из следующих основных операций:
- плавка и обработка металлов, производится в плавильном цехе;
- подготовка литейных форм и стержней производится в формовочном цехе;
- разливка расплавленного металла в формы, охлаждение для затвердевания и
извлечение отлитого изделия из формы производятся в литейном цехе;
- подготовка отливки для дальнейшей обработки.
В зависимости от типа металла, размера партии и типа продукции могут
применяться различные варианты технологического процесса. В основе различия
лежит тип металлов (черные или цветные металлы), а также тип используемой
формовки (одноразовые или постоянные формы). Хотя возможны любые
комбинации. На литейных заводах и предприятиях, имеющих литейные
производства, для отливки черных металлов обычно используется формовка в
одноразовых формах (т.е. формовка в песчано-глинистой смеси), а на литейных
заводах для цветных металлов - постоянные формы (т.е. кокильное литье). По
каждому базовому варианту технологического процесса существуют разнообразные
технические методы, соответствующие типу используемой печи, системе
изготовления форм и стержней (формовка в сырую или с использованием различных
связующих веществ), а также применяемой системы литья и технических методов
отделки. Для каждой технологии характерны собственные технические,
экономические и экологические характеристики, преимущества и недостатки.
Примечание - в Главах 6, 7 и 8 для описания различных операций используется подход
на основе последовательности технологических операций, от изготовления моделей до
подготовки отливки для дальнейшей переработки и термической обработки. Приводится
описание прикладных технических методов, указываются уровни выбросов и
4
П-ООС 17.02-02-2012
потребления, а также рассматриваются технические методы, целью которых является
снижение воздействия на окружающую среду. В основе структуры Главы 9 лежит
различие между типом металлов и типом формовки.
Рисунок 6.1 – Общая схема литейного процесса
6.1.1.1 В литейном производстве, начиная с литейного скрапа (лома, отобранного
в соответствии с химическим составом) или чушек, осуществляется изготовление
готовых отливок. Обычно это изделия, требующие последующей обработки или
сборки для получения конечного продукта.
6.1.1.2 На стадии формовки принципиально различают постоянные и одноразовые
формы. Литейные производства, осуществляющие заливку в постоянные формы,
приобретают эти металлические формы у внешнего производителя, но задействуют
обычно собственный цех для осуществления ремонта и обслуживания. Литейные
производства, осуществляющие заливку в одноразовые формы, часто приобретают
деревянные, металлические или пластмассовые модели (по своим чертежам форм)
5
П-ООС 17.02-02-2012
и задействуют собственный цех по обслуживанию и ремонту форм. Изготовление
форм, стержней и одноразовых форм является этапом процесса литья.
6.1.1.3 В литейном производстве различают черную и цветную металлургию. Это
связано в основном с различием в процессах, применяемых в обеих отраслях.
На предприятиях цветной металлургии применяются методы литья в формы. Они
обеспечивают лучшую конечную обработку поверхности, что является важным для
многих изделий из алюминия и латуни. Благодаря высокой скорости охлаждения,
получаются отливки с высокой механической прочностью. Однако данный метод не
позволяет изготавливать массивные или большие детали, для которых требуется
метод литья в песчаные формы. Методы литья в песчаные формы применяются в
цветной металлургии для изделий, которые изготавливаются малыми сериями. К
цветным металлам (и их сплавам), рассматриваемым в настоящем пособии,
относятся алюминий и медь.
Сплавы черных металлов благодаря их большей жесткости и прочности
применяются в областях, отличных от областей применения цветных металлов.
Размер изделий, которые можно производить, почти не ограничен. У черных
металлов выше температура плавления, а потому требуются другие методы
плавления. К черным металлам и их сплавам, рассматриваемым в настоящем
документе, относятся различные сорта литейного чугуна (которые могут
классифицироваться по их характеристикам или типу графита) и литейной стали.
6.1.1.4 На литейных предприятиях используются механизация и автоматизация в
зависимости от необходимости в качестве и размеров серии. Наиболее гибкой
организацией обычно обладает литейное производство, работающее по
контрактам. Оно изготавливает разнообразные изделия в малых количествах (не
более 100). В общем случае в литейном производстве данного типа используются
методы ручной формовки с применением песчано-смоляных форм. Плавильная печь
обеспечивает простое изменение сплава. Это подразумевает использование
индукционных или вращающихся печей.
6.1.1.5 Для партий средних размеров (не более 1000 изделий) применяются
механизированные линии формовки и заливки. В литейных производствах с
одноразовыми формами используются формовочные автоматы. Это подразумевает
использование сырой формовочной смеси, обеспечивающей быстрое изготовление
формы. Размер автомата по изготовлению форм ограничивает максимальный
размер отливок. Заливка может производиться вручную или с использованием
разливочной машины. Управление вспомогательными процессами, типа подготовки
формовочной
смеси,
осуществляется
в полуавтоматическом
режиме
с
дистанционным контролем. Используются печи как непрерывного (вагранные,
шахтные), так и периодического действия. Для цветных сплавов применяются методы
литья в формы.
6.1.1.6 Крупные партии мелких отливок изготавливаются заливкой в безопочные
формы из сырой формовочной смеси. Для специальных применений на
предприятиях цветной металлургии может использоваться и литье в формах, если
этого требует качество готовой отливки, хотя на практике этот метод находит лишь
ограниченное применение.
Основным отличием для партий средних размеров являются дальнейшая
автоматизация подготовки, контроль качества и сборка форм. При литье в формы на
предприятиях цветной металлургии часто применяется дальнейшая автоматизация,
особенно при наличии цехов разливки по формам под давлением.
6.1.1.7 В случаях, когда это требуется для определенного типа изделия,
применяются специальные методы литья, типа литья по выплавляемым моделям,
центробежного и непрерывного литья.
6
П-ООС 17.02-02-2012
6.1.2 Чугунное литье
6.1.2.1 Литейный чугун представляет собой железоуглеродистый сплав,
содержащий обычно от 2,4 % до 4 % углерода. Минимальное содержание углерода
– 1.8 %. В различных количествах присутствуют также кремний, марганец, сера и
фосфор. Выпускаются специальные марки чугуна с различным уровнем содержания
никеля, хрома и других металлов. Благодаря высокому содержанию углерода,
литейный чугун обладает низкой температурой плавления и хорошей способностью
к литью в сравнении со сталью. Он характеризуется низкой пластичностью и не
допускает проката или ковки. Посредством изменения соотношения углерода и
кремния, легирования и термообработки можно добиться варьирования
характеристик.
6.1.2.2 В зависимости от концентрации и формы углерода (чешуйчатый,
шаровидный или связанный), можно выделить различные типы литейного чугуна:
- чугун с пластинчатым графитом: углерод в форме хлопьев;
- чугун с шаровидным графитом: углерод в шаровидной форме;
- чугун с компактным графитом: углерод в связанной форме.
6.1.2.3 Классификация литейного чугуна часто составляется исходя из свойств
его материала:
- серый чугун: чугун с серой поверхностью излома. Несмотря на то, что это
применимо в отношении чугуна с пластинчатым, шаровидным и компактным
графитом, данный термин обычно используется в качестве синонима чугуна с
пластинчатым графитом
- высокопрочный чугун: литейный чугун с повышенной пластичностью. Это один
из эффектов, вызываемых сфероидизацией, но это относится и к ковкому чугуну.
Этот термин часто используется как синоним высокопрочного чугуна
- ковкий чугун: чугун, обладающий способностью к расширению или изменению
формы под молотом. Это свойство связано с низким содержанием углерода,
благодаря чему большая часть углерода находится в связанной форме.
6.1.2.4 Литейный чугун можно плавить в вагранной печи, в индукционной печи
(обычно тигельного типа без сердечника, но очень редко может использоваться и
печь канального типа) или во вращающейся печи. Электродуговая печь крайне
редко используется для получения литейного чугуна. На рисунке 6.2 представлена
блок-схема процесса плавки и обработки металла для литейного чугуна в печах трех
различных типов. Этот процесс обычно состоит из плавления – выпуска –
обработки металла – розлива. Различные аспекты плавления и обработки металла
рассматриваются в последующих разделах. Обработка металла включает
различные этапы типа сероочистки, сфероидизации, инокуляции и удаления шлака.
Этап сероочистки при вагранной плавке может также включаться в сфероидизацию,
например, посредством использования процесса сфероидизации с одновременным
удалением серы, типа процесса с использованием индукционного сердечника.
7
П-ООС 17.02-02-2012
Производство литейного чугуна
Схема процесса для вагранной печи
Подготовка
и взвешивание металлической
части
Подготовка
и взвешивание кокса
Взвешивание
известняка
Добавление
ферросплава
Производство литейного чугуна
Схема процесса для индукционной
электропечи с сердечником
Подготовка материала
металлической части шихты
Производство литейного чугуна
Схема процесса для вращающейся
печи
Подготовка и
взвешивание
металлической
части
Подготовка и
взвешивание присадок
(флюсующих,
карбонизирующих)
Загрузка печи
Загрузка печи
Загрузка печи
Плавка
Плавка
Удаление шлака
Выпуск
Выдерживание
расплава
Грануляция шлака
или разливка
изложницы
Сероочистка
Удаление
шлака
Формы
Сфероидизация
Удаление
шлака
Корректировка
состава
Нагретые ковши для
транспортировки
Нагретый ковш
Ремонт ковша
Удаление
лишнего металла
Заполненные
формы
Удаление
шлака из
ковшей
Нагретые ковши для
транспортировки
Удаление
шлака
Выдержка
расплава
Формы
Заливка
Удаление
лишнего
металла
Выпуск
Сфероидизация
- Инокуляция
Удаление шлака
из ковшей
Ремонт ковша
Заполненные
формы
Заливка
Перегрев (непрерывное вращение)
Выпуск
Инокуляция
Удаление шлака
Плавка (прерывистое
вращение)
Сфероидизация
- Инокуляция
Удаление
шлака
Формы
Заливка
Удаление
лишнего
металла
Удаление шлака из
ковшей
Ремонт ковша
Заполненные
формы
Рисунок 6.2 - Технологические блок-схемы плавки и обработки металла для
литейного чугуна [1]
6.1.2.5 Вагранка является наиболее распространенным в Европе устройством
для переплавки чугуна. На нее приходится порядка 55 % массы чугунного литья,
производимого в Западной Европе. В наши дни вагранке все сложнее сохранять свое
доминирующее положение на рынке. Частично это связано с качеством ее
отходящих газов, требующих очистки. Сталкиваясь с вероятностью финансового
бремени, связанного с инвестициями в оборудование по очистке отходящих газов с
последующими отчислениями на амортизацию, многие малые и средние предприятия
сделали выбор в пользу электрических и газокислородных плавильных агрегатов.
Таким образом, количество вагранок, используемых в литейной промышленности,
сокращается, однако их средний размер увеличивается. На рынке вагранок в
Европе в последние годы произошли серьезные изменения. Например,
реструктуризация коксовой промышленности привела к сокращению числа
поставщиков и необходимости импортирования кокса в Европу. Других крупным
изменением является сокращение числа производителей вагранок, при этом одна
немецкая компания занимает почти монопольное положение в производстве
вагранок с подогревом.
6.1.2.6 Многократное чугунное литье выполняется большей частью в сырых
литейных формах со смоляными стержнями. Наиболее широко используются
технологии холодных с аминосодержащими веществами и горячих стержневых
ящиков. Если требуется высокая точность и высокое качество чистовой обработки
поверхности, применяется способ изготовления оболочковых форм из смеси песка
и термореактивных фенольных смол. Технология с использованием одноразовых
форм применяется для многократного литья в ограниченном объеме. Отливки,
8
П-ООС 17.02-02-2012
изготавливаемые в малых количествах, выполняются в формах из формовочной
смеси с химическим связующим. Для получения определенного чугунного литья
используются специальные технологии с песчаными формовочными смесями,
такие как вакуумная формовка и формование в выплавляемых моделях. Имеется
также ряд литейных производств с непрерывной формовкой (отливкой в
металлические формы), выпускающих чугунное литье, однако, короткий срок жизни
формы, ограничивающий ее использование всего несколькими тысячами деталей,
ограничил использование отливку в металлические формы в черной металлургии.
[12], [10]
6.1.3 Стальное литье
6.1.3.1 Сталь является материалом, в котором (массовое) содержание железа
выше, чем любого другого элемента, при содержании углерода обычно менее 2%, и
который содержит обычно и другие элементы. Ограниченное число марок хромистой
стали могут содержать более 2 % углерода, однако 2 % является обычно тем
пределом, который разделяет сталь и литейный чугун [201, CEN, 2000]. Другим
особенно полезным свойством стали является ее способность к горячей обработке.
Низколегированная литая сталь содержит элементы Mn, Cr, Ni и Mo в количествах
менее 5 %. Высоколегированная сталь включает более 5 % легирующих элементов,
например, 12 % Cr и 8 % Ni. Производятся специальные марки стали с улучшенными
свойствами: повышенной прочностью; более высокой магнитной проницаемостью;
большей устойчивостью к коррозии, усталости или износу и улучшенного поведения
при сварке либо при высоких или низких температурах.
6.1.3.2 Литая сталь обычно плавится в электродуговых печах (EAF) или в
индукционных тигельных электропечах (IF). После расплавления жидкий металл
можно подвергать рафинированию (т.е. удалению углерода, кремния, серы или
фосфора) и раскислению (т.е. уменьшению количества оксидов металлов), в
зависимости от основного металла и требований к качеству готового продукта. На
Рисунке 6.3 представлена технологическая блок-схема плавки и обработки металла
для литой стали в печах различных типов. [1]
9
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.3 - Технологические блок-схемы плавки и обработки металла для стали
[1]
6.1.4 Алюминиевое литье
6.1.4.1 Примерно две трети всего алюминиевого литья используется в
транспортном машиностроении: легковых и грузовых автомобилиях, автобусах,
поездах и самолетах. Потребность в снижении расхода топлива и веса повысила
интерес к алюминию. Общая масса алюминиевых деталей в среднем европейском
автомобиле практически удвоилась в период с 1990 по 2000 год. Это растущее
потребление алюминия в его основной потребляющей отрасли однозначно сказалось
на общем количестве производимых отливок.
6.1.4.2 Алюминий разливается в основном в постоянные формы. Относительная
доля применяемых методов литья алюминия представлена в Таблице 6.1:
Таблица 6.1 - Относительная доля применяемых методов литья алюминия
[2], [3]
Тип литья
Литье в металлические формы под давлением
Литье в металлические формы под низким давлением
и кокильное литье
Литье в песчаные формы
Другие
Относительная доля (%)
59
37
3
1
6.1.4.3 На предприятиях, производящих алюминиевое литье, используются
различные типы плавильных печей, выбор которых зависит от конкретных
10
П-ООС 17.02-02-2012
требований. Применяются печи с прямым и косвенным нагревом, работающие на
топливе и электричестве.
К видам ископаемого топлива, используемого в настоящее время, относятся
природный газ, сжиженный нефтяной газ (LPG), печное топливо и мазут.
Большинство литейных производств отдают предпочтение природному газу
вследствие
его
эффективности.
Электронагрев
может
обеспечиваться
резистивными элементами или индукцией. Одним из наиболее важных параметров
для плавильных печей и поворотных миксеров является мощность. Сегодня
индукционные
печи
обычно
используются
при
потребности
в
высокопроизводительной плавке, например, более 10 тонн/час. Шахтные
плавильные печи и поворотные миксеры, а также тигельные печи часто
используется при требующейся производительности плавки менее пяти тонн/час.
Малые и средние тигельные печи часто применяются в случае необходимости в
частом изменении химического состава сплава или при низких объемах
производства.
6.1.4.4 Для выдержки электропечи выгодно отличаются отсутствием
образующихся при горении отходящих газов и возможностью поддержания
однородной температуры всего объема расплава, при сравнительно низких
энергозатратах.
6.1.4.5 Для алюминиевого литья на литейных предприятиях в качестве исходного
материала обычно используются легированные слитки, хотя в некоторых случаях
металл подается уже в жидком виде.
6.1.5
Медное литье
6.1.5.1 Литье меди осуществляется в форме различных групп сплавов, в каждой
из которых медь является основным элементом:
- Медь с высокой электропроводностью. Используется в основном из-за ее
высокой электро- и теплопроводности. К применениям относятся формы для
доменных печей и вагранок на горячем дутье, зажимы водоохлаждаемых
уплотнительных колец, распределительные коммутационные устройства и т.п.
- Латуни. Сплавы Cu-Zn, в которых цинк является основным легирующим
элементом. Они легко формуются, обладают превосходной способностью к
механической обработке и высокой стойкостью к коррозии на воздухе и в пресной
воде. Широко используются для изготовления водопроводной арматуры.
Высокопрочные латуни имеют более высокий процент легирующих присадок и
применяются в кораблестроении. Латуни отливаются в песчаных и в постоянных
формах.
- Оловянистая бронза. Сплавы Cu-Sn, в которых олово является основным
легирующим элементом. При содержании олова 10 – 12 %, отливки из оловянистой
бронзы дороже латуни. Обладают высокой устойчивостью к коррозии и пригодны для
транспортировки кислых вод, воды для подпитки котлов и т.п. Сплавы с высоким
содержанием олова используются также в износостойких узлах. Применяемыми для
них методами литья являются литье в песчаные формы и центробежное литье.
- Фосфористая бронза. Сплавы Cu-Sn, с добавлением примерно 0,4 – 1,0 % P.
Они тверже оловянистой бронзы, однако, имеют меньшую пластичность.
Используются для изготовления подшипников для высоких нагрузок и скоростей
вращения, а также передаточных механизмов типа червячных шестерен.
- Свинцовистая бронза. Сплавы Cu-Sn-Pb. Используются почти исключительно
для изготовления подшипников для умеренных нагрузок и скоростей.
- Пушечный металл. Сплавы Cu-Sn-Zn-Pb. Оптимальные сплавы для литья в
песчаные формы. Обладают хорошим сочетанием жидкотекучести, способности к
механической обработке и прочности, а также высокой устойчивостью к коррозии.
Используются для литья сложных, герметичных под давлением изделий типа
11
П-ООС 17.02-02-2012
вентилей и насосов. Используются также для изготовления подшипников для
умеренных нагрузок и скоростей.
- Алюминиевая бронза. Сплавы Cu-Al, в которых Al является основным
легирующим элементом. Сочетают высокую прочность с высокой устойчивостью к
коррозии. Диапазон их применения варьируется от декоративных архитектурных
деталей до высоконапряженных технических компонентов. Широко используются в
морском кораблестроении, в том числе для изготовления гребных винтов, насосов,
клапанов. Применяются также в изготовлении безыскрового инструмента.
Используются методы литья для Al.
- Никелин. Сплавы Cu-Ni, в которых Ni является основным легирующим
элементом. Используются для изготовления, например, трубных изделий для
морских трубопроводов со сложными условиями.
- Медно-бериллиевые сплавы. Бериллий разливается в виде медно-бериллиевого
сплава для производства деталей, требующих устойчивости к коррозии и очень
высоких механических характеристик. К ним относятся наконечники плунжеров для
машин для литья под давлением, высокоточных деталей для электроэнергетики и
машиностроения, детали для часов, инструменты и измерительные приборы.
Применяются два типа сплавов: медно-бериллиевый сплав с 2 % Be и меднокобальт-бериллиевый сплав с 0.5 % Be. Существует тенденция сокращения или
исключения бериллия из сплавов из-за его канцерогенности. Литье производится в
постоянные формы с использованием литья под давлением или кокильного литья в
формы. Для изготовления высокоточных деталей используется метод прецизионной
отливки по выплавляемым моделям [4].
6.2 Изготовление моделей
6.2.1 Изготовление общих моделей
6.2.1.1 Для изготовления моделей, называемых также литейной оснасткой,
требуется высокий уровень навыков для соблюдения жестких допусков,
применяемых к моделям и стержневым ящикам. Этот этап играет важнейшую роль
в процессе литья, т.к. полученные отливки не могут быть лучше моделей,
используемых в их изготовлении. Модели изготавливаются с помощью ручных
инструментов, универсальных станков или системой САПР/САП на станках с
числовым программным управлением (ЧПУ). В отдельных цехах по изготовлению
моделей
применяется
автоматизированное
проектирование
(САПР)
для
проектирования моделей. Траектории перемещения режущего инструмента
разрабатываются системой автоматизированного производства (САП). Сигнал с этих
компьютеров поступает на инструменты станков с ЧПУ, которые затем режут
промышленную модель по форме. Такие автоматизированные системы
обеспечивают большую точность и согласование размеров, чем ручные методы.
6.2.1.2 Материалами для моделей (Рисунок 6.4) и стержневых ящиков (Рисунок
6.5) обычно являются металл, пластмасса, древесина или гипс. В технологиях
прецизионного литья и литья по газифицируемым моделям используются воск и
полистирол, соответственно. У изготовителей моделей имеется широкий спектр
инструментов, включая инструменты дерево- и металлообработки. Для соединения
деталей моделей используются механическая оснастка и клеи. В качестве
наполнителей для заполнения или сглаживания внутренних прямых углов
используются воск, пластмасса или полистирол [5].
12
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.4 - Деревянная модель [6]
Рисунок 6.5 - Стержневые ящики [6]
6.2.2 Быстрое прототипирование (RP)
6.2.2.1 Быстрое прототипирование представляет собой метод очень быстрого
перехода от концепции продукта к образцу литейной формы. Термин «Быстрое
прототипирование» включает все организационно - технические мероприятия от
формулирования концепции до изготовления продукта.
6.2.2.2 Быстрое прототипирование можно применять на любом этапе разработки
продукта, т.е. для концептуальных моделей, геометрических прототипов,
функциональных прототипов или технических или коммерческих прототипов. Все
существующие на данный момент технологии допускают изготовление деталипрототипа по трехмерному чертежу. Они применяются также для непосредственного
спекания песка при изготовлении форм или стержней. Данный метод заключается в
построении объекта по проектной модели посредством соединения частей или
слоев сырьевого материала типа полимерной смолы, воска, бумаги или
керамического порошка. Пример восковой модели приведен на Рисунке 6.6
13
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.6 - Модели из термополимера (воска) в машине RP [6]
6.2.2.3 Существует 4 основных этапа быстрого прототипирования:
- создание модели 3D-CAD;
- организация интерфейса между системой 3D-CAD и системой быстрого
прототипирования. Например, данные CAD можно конвертировать в файловый
формат STL (стандартный трансформационный формат);
- деление файла STL на тонкие поперечные слои;
- выполнение модели RP.
6.2.2.4 К преимуществам быстрого прототипирования, особенно для сложных
форм, относятся:
- сокращение времени на разработку и возможность быстрого изменения во
время разработки;
- экономия затрат, материалов и времени;
- раннее выявление ошибок [7], [8].
Обзор возможных методов приведен в Таблице 6.2.
Таблица 6.2 - Описание методов быстрого прототипирования [8]
Процесс
Принцип
Жидкость – Полимеризация локальным
твердое тело воздействием ультрафиолета на
УФ- отверждаемую смолу
Твердое тело Контуры слоя вырезаются из
– твердое
фольги
тело
Осаждение материала,
демонстрирующее
термосплавление
Напыление материала
Порошок –
Агломерация порошка при
твердое тело спекании
Агломерация порошка при
14
Материалы
Особые свойства
УФ- отверждаемые смолы - усадка и
деформации
Акрилаты, эпоксиды
- нужны опоры
для модели
Бумага, металлы,
- без опор
полимеры
- расход
основного
материала
ABS, воск, эластомеры
- нужны опоры
для модели
Воск, полимеры
Металлы, керамика,
песок, полистирол,
нейлон, полиамид, воск
Глинозем
-.нужны опоры
для модели
- без опор
- пористость
- усадка
- без опор
П-ООС 17.02-02-2012
проекции связок
6.3
- пористость
Сырье и обработка сырьевых материалов
6.3.1 Основные потоки сырьевых материалов, поступающих на литейное
производство, представлены металлическими слитками, литейным ломом и
формовочным песком. Можно выделить различия между предприятиями черной и
цветной металлургии. На литейных предприятиях цветной металлургии обычно
плавят только внутренние возвратные материалы и сплавы в слитках (Рисунок 6.7).
Переплавка внешнего лома обычно считается отдельной операцией, входящей
обычно в производство вторичного металла. При поступлении внешнего лома, он
подлежит сначала спектроскопическому анализу для определения типа сплава. На
предприятиях черной металлургии в качестве исходного материала используют
передельный и отборный, а также стальной лом, помимо внутреннего возвратного
материала. Поступающий металл разного качества хранится в отдельных местах
для обеспечения контроля за подачей в плавильную печь.
Рисунок 6.7 - Алюминиевый лом (слева) и слитки (справа) [6]
6.3.2 Сырьевые материалы, включая флюсы в виде болванок и порошка;
литейные коксы для вагранок; раскислители и огнеупорные материалы обычно
хранятся в закрытых помещениях. После доставки обработка сводится к минимуму.
Порошковые материалы могут храниться в закрытых бункерах и подаются по
пневматическому транспортеру, или хранятся и подаются в герметичных мешках, как
показано на Рисунке 6.8.
Рисунок 6.8 - Пневматические транспортеры и бункеры для порошковых материалов
[6]
6.3.3 Формовочный песок обычно поставляется насыпью и выгружается
непосредственно
в
бункер
пневматическим
транспортером,
ленточным
транспортером или грейфером. Специальные формовочные смеси могут поступать в
15
П-ООС 17.02-02-2012
мешках или бочках. Отработанные пески хранятся в бункерах для регенерации, а
также в бункерах и насыпью в кучах для использования вне литейного производства
или утилизации.
6.3.4 Жидкие связующие материалы и нефтепродукты поставляются в бочках,
контейнерах для насыпных материалов или автоцистернами. Они хранятся в таре,
в которой поставляются, или, в случае автоцистерн, выгружаются непосредственно
в специальное место хранения. Контейнеры соединены трубопроводом
непосредственно с устройством для смешивания песка/смолы/катализатора.
Отдельные катализаторы и сореагенты используются в газообразной форме,
однако, они поставляются также в жидкой форме и обрабатываются аналогичным
образом до их возгонки и смешивания с газом-носителем. Возгонка выполняется в
закрытом месте и может осуществляться различными методами.
6.3.5
Огнеупорные
материалы,
разделительные
составы
и
другие
вспомогательные материалы хранятся в закрытых помещениях.
6.3.6 Твердые кусковые остатки типа отработанных огнеупоров и шлака хранятся
в отдельных кучах, в раздельных местах хранения или в ящиках. Они
перемещаются и обрабатываются с применением небольших грузоподъемных
механизмов. Мелкие твердые остатки собираются в фильтрующей установке в
большие мешки или контейнеры, которые можно помещать на хранение перед
транспортировкой для утилизации. Должны быть приняты конкретные меры в целях
предупреждения загрязнения почвы материалами различных классов. Возможные
воздействия перечислены в Таблице 6.3.
6.3.7 Металлическая часть загрузки в плавильную печь тщательно отбирается и
взвешивается, чтобы обеспечить соблюдение требуемого состава. Состав шихты
рассчитывается исходя из среднего химического состава каждого компонента,
потерь от окисления при плавке и требуемого конечного состава отливки.
Различные элементы шихты соединяются в устройстве загрузки (например,
вагонетке с откидывающимся дном, вибропитателе, скиповом подъемнике) с
качающимся магнитом, которое обычно оснащено системой взвешивания для
обеспечения накопления необходимого количества.
6.3.8 В шихту могут добавляться дополнительные легирующие элементы в виде
ферросплавов типа FeSi, FeMn, FeCr, или в чистом виде, типа Cu, C, Ni. Однако
большинство лигатур добавляются в расплавленный металл для предупреждения
потерь металла из-за окисления. Легирующие элементы обычно имеются на
литейных предприятиях в малых количествах и всегда хранятся внутри здания,
предпочтительно вблизи от плавильной установки [1].
Таблица 6.3 - Потенциальное загрязнение грунта сырьевыми материалами
литейного производства в черной металлургии [3], [9]
Операции
Соответствующие загрязнители
Потенциальное влияние
Хранение сырьевых материалов
Хранение лома –
Сыпучие материалы с лома –
Локальное загрязнение
снаружи, часто на
металлические и покрытия
поверхности грунта
Масла – могут включать:
земле
Просачивание в
- ПАУ из масел двигателей внутреннего
подпочвенные и верхние
сгорания;
грунтовые воды
- ПХБ из конденсаторов (в основном в
дробленом очищенном ломе, кроме случаев,
когда успешно проведено удаление ПХБ)
СОЖ – могут быть хлорированы
Жидкости в подземных Нефтепродукты, например, топливное
Утечка в грунт с
резервуарах
масло, дизельное топливо
просачиванием в
подпочвенные и верхние
грунтовые воды
16
П-ООС 17.02-02-2012
Обработка, транспортировка и использование сырьевых материалов
Феноловые
Содержание свободного Растворимы
в
воде;
Химические
смолы
фенола
от
0.5
до
5
%
могут
просачиваться
в
связующие вещества –
грунтовые
воды.
случайное пролитие
Быстрый
распад
или утечки
менее 400 млн-1.
При
большей
концентрации и объемах
разлива
распадаются
медленнее
из-за
токсичности
для
бактерий
Носители
например, метанол, до 20 В основном растворимы
растворителя в % объема
в
воде,
могут
смолах
просачиваться
в
грунтовые воды
Уретановые
Ароматические
Растворители
могут
смолы
растворители1
просачиваться
в
грунтовые воды
Фурановые
Толуоловые, ксилоловые, Могут просачиваться в
отвердители
бензолсульфокислоты
грунтовые воды или
изменять
характеристики
грунта,
например,
накопление металлов
Аммиак
Смолы на
Могут просачиваться в
основе
подпочвенные и верхние
мочевины
грунтовые воды
Кремниевые
Щелочной pH
Могут просачиваться в
смолы
грунтовые воды или
изменять
характеристики
грунта,
например,
мобилизацию металлов
Покрытия форм
Изопропиловый спирт (IPA)
Растворим
в
воде,
может просачиваться в
грунтовые воды
Топливо, продукты
Топливные масла, дизельное топливо,
Масла
могут
техобслуживания:
бензин с ПАУ и продуктами сгорания
просачиваться
в
- случайное пролитие SO 2-;
подпочвенные
и
верхние
4
или утечки (в
грунтовые воды.
Смазочные и гидравлические масла;
частности, вокруг
Воздушный
унос
и
Закалочные масла;
2пунктов заправки)
осаждение
ПАУ
и
SO
4
Трансформаторные масла (потенциал для
- умышленное
при сгорании топливных
ПХБ)
выливание на землю
масел.
SO42- просачивается в
грунт.
ПАУ, ПХБ склонны к
адсорбции на грунт
1 Более ранние составы содержали ПАУ (в основном нафталины), однако разработаны
составы с низким содержанием нафталинов, устранившие данный загрязнитель.
6.4 Плавка и обработка металла
6.4.1 Выбор плавильной печи является важным аспектом организации литейного
производства. У каждого типа печи имеются свои собственные характеристики,
касающиеся требований к загрузке и возможности легирования, которые, в свою
очередь, будут сказываться на всем процессе литейного производства. С другой
17
П-ООС 17.02-02-2012
стороны, возможность использования той или иной печи определяет тип металла
для плавки. Применимость различных типов печей указана в Таблице 6.4.
mm
m*
Чугун
mm
m
Сталь
Алюминий
Медь
* Менее распространенная
h
m, h
h
m, h
m
m, h
m, h
m*
m
m
m
m
m
Тигельная /
ковш-печь
Шахтная
Подовая
Вращающаяся
Индукционная
канального
типа
Индукционная
тигельная
Электродуговая
Вагранка
Таблица 6.4 - Применимость типов печи для плавки (m) и выдержки (h)
h
h
m, h
m, h
Для чугунных литейных производств требуется металл с контролируемым составом
и температурой, поставляемый в объемах, достаточных для удовлетворения
варьирующейся потребности формовочной линии. Металлическая часть шихты для
плавки обычно состоит из литейного возврата, чугунного и сталелитейного лома и
передельного чугуна, с легирующими присадками, такими, например, как
ферросилиций, феррофосфор и л и ферромарганец. Шихта обычно плавится в
вагранке или в индукционной электропечи. Индукционные печи постепенно все
больше завоевывают рынок в сравнении с вагранным типом. Для плавки
используются индукционные тигельные электропечи. Индукционные печи канального
типа применяются только для выдержки, они применяются в основном в сочетании с
вагранной печью, в так называемой дуплексной конфигурации. Могут
использоваться также вращающиеся печи на газовом, печном топливе или мазуте,
хотя их применение является менее распространенным. Кратковременная выдержка,
транспортировка и обработка металла осуществляются в ковшах.
Сталь плавится в электродуговых и индукционных печах. На крупных
сталелитейных предприятиях могут использоваться электродуговые печи, однако
чаще применяются индукционные печи. В дуговых печах можно использовать шихту
из дешевого лома, поскольку очистка происходит в печи. Однако их ограничением
является наличие некоторого углеродного загрязнения графитовыми электродами,
поэтому получение низкоуглеродистых нержавеющих сталей (менее 0,03 % C)
невозможно. В индукционной печи очистка невозможна, поэтому должна
использоваться тщательно подобранная шихта. Тогда можно выплавлять любой тип
стали. Кратковременная выдержка, транспортировка и обработка металла
осуществляются в ковшах.
Выбор плавильной печи в цветной металлургии зависит от размеров литейного
производства. На предприятиях цветной металлургии часто используются
разнообразные сплавы и/или присутствует ограничение по производственной
мощности. Если плавка осуществляется в печах малого объема, больше всего
подходит тигельная печь. Кроме того, основным методом литья является литье в
металлические формы. В этом случае часто нет необходимости в централизованной
плавке, поскольку плавильная печь (и поворотный миксер) интегрированы в
разливочную машину. На предприятиях цветной металлургии большей мощности и с
потребностью в централизованной плавке обычно используются индукционные,
подовые или шахтные печи, с последующим распределением расплавленного
металла в поворотные миксеры и разливочные ковши [3], [10].
18
П-ООС 17.02-02-2012
6.4.2
Вагранные печи
6.4.2.1 Вагранная печь с холодным дутьем
6.4.2.1.1 Описание
Вагранка представляет собой шахтную печь с огнеупорной футеровкой, которая
нагревается горением кокса, происходящим в нижней части шахты (“ванне”). Воздух
горения, подаваемый вентиляторами, нагнетается в ванну через ряд выпускных
сопел (“фурм”). Кольцевой и регулирующий клапаны обеспечивают контролируемый,
равномерно распределяемый поток воздуха горения через фурмы. Металл
(передельный чугун, стальной лом, чугунный лом, литейный возврат), кокс,
легирующие элементы (например, FeSi, SiC), образующийся шлак (SiO2) и
флюсующие реагенты (например, CaCO3) добавляются в шахту через загрузочный
люк в верхней части шахты. Образующиеся при горении газы поднимаются из
ванны и отдают тепло шихте перед тем, как выйти из печи через трубу вагранки.
После достижения предварительно нагретой шихты зоны горения, вследствие
высокой температуры, металлическая часть плавится, а загруженный кокс
начинает гореть в присутствии кислорода. Расплавленный металл каплями
стекает через коксовую колошу и собирается в зоне, называемой горном, которая
находится ниже зоны горения. Все загрязнения улавливаются шлаком, который
состоит в основном из SiO2, CaO, Al2O3 и FeO. Флюсующие реагенты снижают
температуру плавления и вязкость шлака. Благодаря его меньшей удельной
плотности, шлак плавает в расплавленном металле в горне. После достижения
жидким металлом в горне определенного уровня, открывается выпускное отверстие
(летка). Металл вытекает неравномерным потоком через летку по каналу с
огнеупорной футеровкой или литейному желобу в отдельный сборный приемник или
ковш. В качестве альтернативы, расплавленный металл может непрерывно
направляться в поворотный миксер.
Шлак выпускается отдельно с помощью перевала и шлаковой течки,
расположенной выше. Он собирается периодически в шлаковиках, или непрерывно
гранулируется в водяном потоке или в специальном устройстве для сухой
грануляции.
В своей базовой конфигурации вагранная печь называется вагранкой с
холодным дутьем (CBC). Это вагранка, использующая дутье при атмосферном
давлении и обычной температуре окружающей среды (Рисунок. 6.9).
19
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.9 - Принципиальная схема и миниатюрная модель вагранной печи (с
холодным дутьем) [6], [11]
Для снижения выбросов CO и повышения энергоэффективности можно
рассмотреть конверсию печей с холодным дутьем в печи с горячим дутьем (см.
раздел 8.5.2). Однако для литейных производств средних размеров,
перерабатывающих менее 2000 тонн/месяц качественных отливок, преобразование
в вагранку с горячим дутьем представляется проблематичным, учитывая
необходимость в крупных инвестициях. Использование вагранки с горячим дутьем
ограничивается также непрерывной плавкой, в противном случае эксплуатационные
расходы оказываются слишком высокими. Вагранка с холодным дутьем превалирует
в отдельных типах производства, например, эмалированного чугунного литья,
кухонной посуды, нагревательных приборов, противовесов. Данные типы отливок
допускают высокий уровень использования в слое расплава чугунного лома;загрузочного материала, которого все еще достаточно в старой промышленной
Европе и который прекрасно подходит для вагранки с холодным дутьем [7], [11], [12]
6.4.2.1.2 Обслуживание
Специфической особенностью вагранной печи является то, что материала
футеровки (кварцево-глиняной смеси) в зоне плавления и нагрева хватает лишь на
одну кампанию печи. Интенсивный нагрев и присутствие шлага приводит к
химическому распаду и механическому износу футеровки, что последовательно
превращает ее в шлак. Поэтому вагранные печи строятся обычно парами. Пока одна
печь осуществляет плавки, во второй можно выполнить футеровку новым
огнеупорным материалом, с началом работы на следующий день после
эксплуатации [13].
6.4.2.1.3 Преимущества:
- инвестиционные затраты составляют 125000 – 150000 евро € на установленную
тонну в час, включая оборудование для пыле- газоочистки;
- можно использовать различные виды (дешевого) лома благодаря очистке и
науглероживанию;
- приемлемая тепловая эффективность при условии принятия соответствующих
мер.
20
П-ООС 17.02-02-2012
6.4.2.1.4 Недостатки:
- негибкий режим производства;
- сложность управления производством из-за медлительности системы;
- высокая стоимость загрузки передельным чугуном и малое количеством
стального лома;
- невозможна быстрая смена сплава;
- серное загрязнение/поглощение в вагранке;
- экологическая нагрузка, вызываемая литейным производством, т.е. большое
количество пыли, шлака и огнеупорной футеровки;
- необходимость больших установок для пылеудаления из-за больших объемов
отходящих газов [13].
6.4.2.2 Вагранная печь с горячим дутьем
6.4.2.2.1 Описание
Для оптимизации эффективности вагранной печи можно предварительно
разогреть воздух горения. Этот принцип используется в вагранке с горячим
дутьем (HBC), т.е. вагранке, использующей предварительно нагретое дутье.
Существуют два метода нагрева:
- Рекуперативный нагрев. Он основан на передаче остаточного (“латентного”)
тепла отходящих газов воздуху горения. Отходящие газы собираются в верхней
части печи, смешиваются с достаточным количеством воздуха, а затем сгорают в
установке дожигания. Это вызывает экзотермическое окисление CO. Сгоревшие
газы выводятся через теплообменник (рекуператор), в котором тепло передается
воздуху горения. Обычно воздух дутья нагревается до температур в 500 - 600ºC.
При более высоких температурах возникают проблемы спекания печной пыли на
поверхности рекуператора.
- Внешний нагрев. Здесь воздух горения нагревается каким-либо внешним
источником, например, газовой или топливной горелкой, электрическим
сопротивлением или плазменным факелом.
Сочетание этих двух методов нагрева обеспечивает перегрев воздуха дутья до
1000ºC. Для таких высоких температур, однако, требуется применение более
дорогих огнеупорных материалов, они могут также приводить к слишком высокой
температуре расплава.
Рекуперативные системы обеспечивают повышение энергоэффективности и
теплоотдачи. Влияние подогрева воздуха на теплоотдачу и расход кокса
представлено на Рисунке 6.10. Следует отметить, что на общую эффективность дутья
может влиять качество кокса.
21
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.10 - Влияние подогрева воздуха на эффективность печи с дутьем
[11]
Для литейных производств средних размеров, производящих до 2000 тонн/месяц
качественных отливок, установка вагранки с горячим дутьем является
проблематичной, в частности, из-за необходимости крупных инвестиций. В таких
случаях в отдельных видах производства превалирует вагранка с холодным дутьем.
Вагранка с горячим дутьем остается наиболее широко применимым плавильным
устройством на литейных предприятиях с массовым производством, например,
деталей для автомобильной промышленности, центробежного литья, дорожной
арматуры.
Вагранки с горячим дутьем обычно рассчитаны на длительные циклы работы печи
до замены футеровки, в целях минимизации переключений процессов, а также
времени и затрат на обслуживание [1], [11], [12].
6.6.2.2.2 Преимущества:
- снижение расхода кокса;
- высокая температура выпуска;
- высокая производительность плавки;
- снижение поглощения серы в вагранке;
- возможность использования различных видов дешевого металлического лома
низкого качества;
- возможность увеличения использования стального лома благодаря повышению
поглощения углерода передельным чугуном.
Следует отметить, что невозможно реализовать все эти преимущества
одновременно. Например, увеличение доли стального лома в шихте печи может
потребовать увеличение доли кокса для повторного науглероживания; это, в свою
очередь, снизит скорость плавки и увеличит поглощение серы.
6.4.2.2.3 Недостатки:
- очень большие инвестиции из-за требующихся дополнительных мер по охране
окружающей среды;
- негибкий режим производства;
22
П-ООС 17.02-02-2012
- сложность управления производством из-за инертности системы;
- ограничение только чугунными сплавами, невозможность быстрого изменения
химического сплава;
- экологическая нагрузка, вызываемая литейным производством; т.е. большое
количество пыли, шлака и огнеупорной футеровки;
- необходимы большие установки для пылеудаления из-за больших объемов
отходящих газов [13].
6.4.2.3 Вагранка длительного действия
Вагранка длительного действия представляет собой обычно вагранную печь с
огнеупорной футеровкой и водяным охлаждением, которая может относиться к типу
как с холодным, так и с горячим дутьем. Такие вагранки эксплуатируются ежедневно
в одну, две или три смены и очень часто используются лишь как отдельная
установка. Для данного вида цикл работы печи до замены футеровки печи
составляет несколько недель или месяцев. Вагранка без футеровки обеспечивает
более длительный цикл работы печи, однако теплопотери через кожух печи могут
быть значительными. Постоянно ведутся исследования в области огнеупоров и
практики эксплуатации, которые повышают срок эксплуатации и экономическую
эффективность вагранки длительного действия. Принципиальная схема вагранки
длительного действия с внутришахтной камерой дожига представлена на Рисунке
6.11.
Рисунок 6.11 - Схематическое представление вагранки длительного действия [14]
Для увеличения цикла работы печи необходимо предпринять следующие меры:
- использовать более прочную огнеупорную футеровку шахты, пода и горна;
- применять водяное охлаждение стенок печи: это поддерживает низкую
температуру стенок и тем самым предупреждает быстрый износ футеровки горна;
23
П-ООС 17.02-02-2012
- использовать трубопровод дутья с водяным охлаждением, входящий глубже в
шахту печи. Тогда зона горения не вступает в непосредственный контакт с
футеровкой печи.
Водяное охлаждение применяется не только по причинам снижения расхода
огнеупоров, но и для:
а) увеличения длительности плавки,
б) обеспечения использования возможностией внутреннего диаметра печи, чем
достигается более высокая скорость плавки.
При эксплуатации без футеровки шихта находится в непосредственном контакте с
водоохлаждаемым стальным кожухом печи. Эксплуатация без футеровки применяется
только в вагранках сравнительно большой мощности, с большим циклом работы печи.
Это дает следующие преимущества:
- требуется лишь одна вагранка;
- вагранке требуется только внутренний ремонт после одной или нескольких недель
эксплуатации;
- сокращается дневной расход холостой колоши кокса;
- упрощается мониторинг в течение цикла работы печи, благодаря постоянному
диаметру и более стабильным условиям плавки.
Особым типом вагранки длительного действия является бескоксовая вагранка.
Она рассматривается в Разделе 6.2.1.8. [1], [11], [13], [14]
6.4.2.4 Характер выбросов в атмосферный воздух
В вагранки можно загружать широкий спектр материалов, многие из которых могут
содержать свободные частицы типа ржавчины, песка и неметаллических материалов.
Металлургический кокс может крошиться с образованием мелких кусочков, как и
добавляемые флюсующие материалы. При разломах и механическом трении во
время подготовки шихты, а также во время самой загрузки образуются частицы,
которые могут сразу попадать в окружающую среду.
Во время плавки трение шихты об огнеупорную футеровку также вызывает
образование пыли.
Третьим источником частиц является зола кокса, образующаяся в зоне плавки и
не улавливаемая шлаковой фазой.
Твердые частицы из различных источников, при достаточно малом весе, могут
попадать в дымовые газы вагранки. При определенных условиях в зоне плавки
может возникать металлургический дым, образующий видимый дымовой факел из
трубы вагранки. Частицы дыма состоят из сверхмалых скоплений сферических
сажевых частиц и оксидов металлов типа ZnO, PbO и т.п., если эти металлы
присутствуют в загруженном стальном или чугунном ломе, например, в
гальванизированном или окрашенном ломе. Выбросы дыма будут возрастать с
увеличением доли кокса и загрязнителей в шихте, температуры дутья и нормы
инжекции воздуха.
Углеродсодержащий дым является летучим веществом, образующимся при
неполном сгорании органических веществ в вагранке. Загрязнители в ломе, типа
масла и смазки, древесины, текстиля и резины, будут создавать маслянистые пары
в трубных газах. Пары и частично сгоревшие органические вещества могут иметь
неприятный запах.
Опять же, чистота лома и его характер значительно влияют на характер
выбросов в атмосферный воздух в атмосферный воздух. При горении кокса
образуются пахучие газовые выбросы, содержащие CO2, CO и SO2. Снижение доли
кокса в шихте (посредством увеличения теплоотдачи) или (частичная или полная)
замена кокса природным газом может способствовать снижению уровней
содержания этих частиц.
24
П-ООС 17.02-02-2012
6.4.3
Электродуговая печь (EAF)
6.4.3.1 Описание
Электродуговая печь (EAF) представляет собой плавильную печь периодического
действия, состоящую из крупногабаритного корпуса цилиндрической формы с
огнеупорной футеровкой и чашеобразной ванны. Широкая форма печи позволяет
перерабатывать материал шихты крупных размеров и способствует повышению
эффективности реакций между шлаком и металлом. Типовой диаметр кожуха
составляет от 2 до 4 м. Как показано на Рисунке 6.12, печь накрыта огнеупорным
сводом, в котором имеются порты для трех графитовых электродов. Электроды
удерживаются штангами, обеспечивающими перемещение по вертикали. В
большинстве печей используется загрузка сверху: по с ле смещения свода и
электродов в сторону печь можно загружать, используя загрузочную бадью с
откидным дном или магнит. Металлическая часть загрузки нагревается
электрической дугой, создаваемой трехфазным переменным током между тремя
графитовыми электродами. Они располагаются выше шихты, которая сама
выступает в роли нейтрали.
Рисунок 6.12 - Электродуговая печь [6]
Печь выгружается посредством ее наклонения, что заставляет металл вытекать
через сливной носок. Напротив сливного носка рабочая дверца обеспечивает
выполнение перед выпуском операций по удалению шлака и отбору проб.
Футеровка печи может быть кислой (огнеупоры на основе SiO2) или щелочной
(огнеупоры на основе MgO). Щелочная футеровка обеспечивает использование
стального лома практически любого рода. Печь можно также использовать для
производства высоколегированных и марганцевых сталей. При использовании лома с
высоким содержанием фосфора или серы обычно добавляются для дефосфоризации
и сероочистки известь и известняк. Кислую футеровку эти компоненты разъедают.
Поэтому футеровка кислого типа используется только для плавки лома с низким
содержанием серы или фосфора.
Электродуговые печи используются почти исключительно для плавки стали. Лишь
в немногих случаях они используются для производства литейного чугуна, которое
требует добавления угольной пыли в расплав. Мощность электродуговых печей,
предназначенных для сталелитейных предприятий, обычно варьируется в диапазоне
от 2 до 50 тонн. Их можно эксплуатировать циклически и они подходят для широкого
спектра сортов стали. Они могут давать сталь при высоких температурах с обычным
периодом расплавления, примерно, от одного до двух часов, при достижении высокой
теплоотдачи, до 80 %1. Энергопотребление варьируется от 500 до 800 кВтч/т
расплавленной стали в зависимости от мощности печи, потребления горячего
1
Без учета эффективности выработки электроэнергии.
25
П-ООС 17.02-02-2012
металла и метода очистки, температуры выпуска и используемого оборудования для
контроля загрязнения. Общее время плавления обычно составляет от 1 до 4 часов.
6.4.3.2 Плавка и очистка в электродуговой печи с кислой футеровкой
Из-за химического характера кислой футеровки (SiO2) очищающие возможности
данного типа печи ограничиваются обезуглероживанием. Соответственно,
необходимо уделять серьезное внимание подбору загрузки согласно приемлемым
уровням содержания серы и фосфора, поскольку их невозможно удалить в процессе
кислой плавки. Шихта состоит из сбалансированных объемов передельного чугуна,
литейного возврата и лома. Содержание углерода в шихте поддерживается на
достаточно высоком уровне, чтобы после плавки он был на 0,2 – 0,4 % выше
начального уровня.
Обезуглероживание начинается с подачи кислорода в металлическую ванну. При
этом возникает сильное перемешивание, во время которого выгорает углерод в
расплаве. Одновременно при “кипении” выгорает Si и из металлической ванны
вымываются H2 и N2. Все примеси (оксиды) поглощаются шлаком. Во время плавки
может добавляться SiO2 для поддержания должной консистенции шлака. После
достижения нужной концентрации углерода подача кислорода прекращается и
добавляются кремний и марганец для остановки реакции кипения.
После удаления шлака проверяется и при необходимости корректируется состав
металла. В завершение металл раскисляется добавлением алюминия и других
реагентов в расплавленный поток при выпуске, для предупреждения образования
пузырей CO во время отвердевания. В конвертере AOD или VODC может
осуществляться дополнительная очистка сероочисткой и или дефосфоризацией
(смотрите Раздел 6.4.9 и 6.4.10). [1], [15]
6.4.3.3 Плавка и очистка в электродуговой печи со щелочной футеровкой
Щелочная футеровка электродуговой печи на основе MgO делает возможной
очистку металла в самой печи. Поэтому можно загружать печь практически любым
сочетанием лома и литейного возврата. Технология щелочной футеровки
применяется в случаях, когда лом имеет содержание фосфора и/или серы,
превышающее желаемое.
Дефосфоризация расплава выполняется периодическим добавлением извести во
время расплавления. После подачи кислорода в ванну образуется оксид фосфора,
который улавливается шлаком, вместе с оксидами других металлов и примесями.
Известь поддерживает в шлаке очень высокий щелочной уровень, стабилизирующий
оксид фосфора. Одновременно выгорает углерод. По истечении достаточного для
реакции времени подача кислорода прекращается и шлак полностью удаляется.
Десульфурация происходит на втором этапе аналогичным образом, но при
более высокой температуре. Вновь в расплав добавляется известь или известняк,
вступающие в реакцию с серой с образованием нерастворимого CaS, который
поглощается шлаком. Периодическое добавление углерода, алюминия или FeSi
снижает содержание оксидов металлов (например, оксидов марганца-, хрома),
минимизируя тем самым потери этих элементов из металлической ванны. Все другие
примеси (оксиды) поглощаются шлаком и выводятся во время операции по
окончательному удалению шлака.
После очистки проверяется и при необходимости корректируется состав металла.
В завершение металл раскисляется добавлением алюминия и других реагентов в
расплавленный поток при выпуске, для предупреждения образования пузырей CO во
время отвердевания. Может применяться последующая обработка металла, с
использованием конвертера AOD или VODC (смотрите Раздел 2.4.9 и 2.4.10), если
этого требует окончательный состав сплава [1], [15].
6.4.3.4 Характер выбросов в атмосферный воздух
Выбросы от электродуговых печей возникают во время операций по загрузке,
плавке и очистке, а также во время выпуска металла из печи.
26
П-ООС 17.02-02-2012
При загрузке пыль и грязь выбрасываются из корпуса с открытым люком. При
загрузке горячей печи (например, при плавке с расплавленным чугунным болотом)
все горючие вещества, краски или масла воспламеняются и создают дымовой
шлейф из сгоревших и частично сгоревших органических материалов и частиц пыли.
При механическом трении о футеровку печи также образуется дополнительная
пыль.
Во время плавки при нагреве лома образуются дымы из оксидов металлов,
объем которых значительно увеличивается при обработке обезуглероживанием. При
подаче газообразного кислорода в расплавленный металл образуется
значительное количество дыма из оксида железа. Добавление шлакообразующих
материалов увеличивает выбросы из печи, но лишь в малых количествах и только
на короткое время.
Менее значительные выбросы происходят при перемещении расплавленного
металла в ковш или поворотный миксер.
Выбросы во время самой операции плавки называются первичными выбросами.
Вторичными выбросами являются дымы и пыль, образующиеся при загрузке и
выпуске.
При анализе характера и объемов выбросов различные источники выброса пыли и
дыма, как описано выше, демонстрируют существование значительных различий
между литейными производствами, в зависимости от чистоты загружаемого
материала, применяемого порядка загрузки, состава шихты, обработки по очистке и
присадок, добавляемых в расплав. Поскольку в печи отсутствует горение угля или
топлива, выбросы зависят только от этих параметров.
6.4.4 Индукционная печь (IF)
Индукционные печи применяются для плавки как черных, так и цветных металлов.
Существует несколько типов индукционных печей, но все они работают с
использованием
сильного
магнитного
поля,
создаваемого
прохождением
электрического тока по катушке. Магнитное поле, в свою очередь, создает напряжение
на металле для плавки и, как следствие, прохождение через него электрического тока.
Электрическое сопротивление металла генерирует тепло, которое, в свою очередь,
расплавляет металл. Индукционные печи выполняются в широком диапазоне
размеров. Вследствие отсутствия контакта между шихтой и носителем энергии,
индукционная печь подходит для плавки стали, литейного чугуна и цветных металлов,
поскольку возможно подобрать подходящий материал футеровки.
Важную роль в предупреждении перегрева катушки играет надежное
функционирование контуров водяного охлаждения. Системы водяного охлаждения
проектируются с учетом максимального уровня надежности и включают различные
термостаты и расходомеры [5], [13], [16].
6.4.4.1 Индукционная тигельная электропечь
6.4.4.1.1 Описание
Индукционная тигельная электропечь представляет собой плавильную печь
периодического действия, включающую водоохлаждаемую медную катушку,
внутренняя поверхность которой имеет огнеупорную футеровку. Наружная
поверхность изолирована и заключена в стальной кожух. Корпус печи
устанавливается в конструкции с механизмом опрокидывания. Индукционная
тигельная электропечь обычно имеет форму ковша с огнеупорной футеровкой, верх
которого открыт для операций по загрузке и удалению шлака (Рисунок 6.13).
27
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.13 - Общая схема индукционной тигельной электропечи [16]
В зависимости от мощности, печь загружается подъемным магнитом,
опрокидываемыми ковшами, с помощью вибрационного транспортера или вручную.
На большом числе литейных производств используются индукционные печи для
производства относительно небольших партий металла с большим разнообразием
составов. Мощность печей варьируется от 10 кг до 30 тонн. Питается от сети
переменного тока средней или высокой частоты (50, 250 или 1000 Гц, соответственно).
В зависимости от плотности установленной мощности и метода плавки
теплоотдача может превышать 80 %2, но обычно варьируется в диапазоне от 60 до
70 %. Если учитывать эффективность выработки электроэнергии, получается общая
эффективность 15 – 20 %, что достаточно мало в сравнении с печами других типов.
Индукционный нагрев жидкого металла создает эффект перемешивания. Чем
ниже частота первичного тока, тем интенсивнее перемешивание. Следовательно, в
печи с частотой сети, работающей при 50 или 60 Гц, турбулентность выше, чем в
печи, работающей при более высокой частоте. Из-за высокой турбулентности
мощность на входе у печи ограничивается 250 кВт на тонну производительности. При
более высоких частотах плотность мощности может увеличиваться в три-четыре
раза в сравнении с этим уровнем.
Рабочая частота влияет также на глубину проникновения тока. Чем выше
частота, тем меньше глубина проникновения. Это определяет минимальный размер
загружаемых кусков и эффективный размер печи. Печи на 50 Гц не используются
для производительности ниже 750 кг. При 10 кГц можно нагревать куски шихты
менее 10 мм в диаметре, поэтому можно использовать печи мощностью до 5 кг.
Наличие надежных преобразователей частоты позволило разработать установки
для конкретных применений, как показано в Таблице 6.4. Частота обычно
ограничивается 250 - 350 Гц (в случае переменной частоты), поскольку при больших
частотах однородность металла становится недостаточной. Большие частоты
используются в специальных случаях, типа очень малых печей. На Рисунке 6.14
показаны индукционные тигельные электропечи различных размеров.
2
28
Без учета эффективности выработки электроэнергии.
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 6.4- Области применения существующих индукционных печей в
зависимости от их частоты [10]
Частота (Гц)
70
100
100 – 150
250
250
500 и 1000
1000 и 3000
3000
10000
Применение
Латунная стружка
Алюминиевая обрезь
Стружка литейного чугуна
Лом алюминиевого профиля
Чугун из литейного возврата и стальной лом
Стальной расплав и расплав сырой стружки
литейного
чугуна
Широкий
диапазон медных сплавов
Прецизионное литье
Ювелирное дело
Рисунок 6.14 - Индукционные тигельные электропечи [6]
Системы водяного охлаждения играют важную роль в эксплуатации
индукционной тигельной электропечи. Охлаждение катушки предохраняет катушку и
изоляцию от теплового повреждения не только при обычной эксплуатации, но и в
период остывания, когда отключается питание и печь опорожняется. Возможно
несколько типов охлаждения, с использованием замкнутых контуров с
теплообменниками или открытых испарительных систем. Наличие системы
охлаждения открывает возможности для внутренней регенерации энергии
[1],[7],[10],[13], [16], [17]
6.4.4.1.2 Метод плавки
Индукционная тигельная электропечь применяется для плавки, но не может
использоваться для очистки. Поэтому на сталелитейных предприятиях
индукционную печь необходимо загружать сырьем с ‘правильным’ химическим
составом, т.е. соответствующим требующемуся составу расплава; поэтому в
основном используется стальной лом. При необходимости металл можно очищать
после плавки в конвертере AOD (аргонокислородного обезуглероживания) или в
специальных ковшах для обработки (смотрите Раздел 2.4.12).
Печи высокой мощности обеспечивают плавку по методу “выпуска и загрузки”. В
этом случае печь полностью выгружается и загружается холодным материалом для
начала нового цикла плавки. Метод “расплавленного болота” используется в печах с
малой мощностью питания (с сетевой частотой), в которых выпускается примерно
треть расплава перед тем, как добавить холодный шихтовый материал. Благодаря
лучшему электромагнитному соединению между жидким расплавом и катушкой в
сравнении с менее плотной твердой (холодной) шихтой, скорость производства
29
П-ООС 17.02-02-2012
значительно возрастает при использовании последнего метода на печах малой
мощности.
Марки сталей с содержанием более 0.2 % химически активных элементов типа Al,
Ti и Zr нельзя плавить в окисляющей среде, например, на воздухе. Для них
требуется инертная атмосфера или метод вакуумной плавки и разливки. Это
достигается помещением индукционной печи в вакуумную или герметичную камеру.
Применение вакуума обеспечивает очень хорошую дегазацию расплава.
Высокоактивные окисляющие элементы добавляются в вакууме или после заполнения
инертным газом.
Индукционные печи являются превосходными плавильными установками, однако в
целом они менее эффективны для выдержки. При их использовании только для
плавки расплавленный металл в основном перемещается в эффективный
поворотный миксер сразу после достижения им требуемой температуры. Существует
множество типов индукционных тигельных электропечей, со стационарными или
съемными ковшами. Для алюминия имеются как канальные, так и индукционные
тигельные электропечи для плавки и выдержки. Однако печи канального типа
используются редко из-за сложности поддержания канала открытым и из-за
необходимости в постоянном поддержании расплавленного «болота» [1], [18].
6.4.4.1.3 Преимущества:
Благодаря своим многочисленным преимуществам, индукционная печь находит
все более широкое применение. Ее основными преимуществами являются:
- большая гибкость в выборе сплавов и режиме плавки. В этом она является
идеальным методом плавки для литейных производств, работающих по контрактам,
и специальных сплавов;
- короткие периоды расплавления;
- меньшая экологическая нагрузка, создаваемая литейным производством;
- нетребовательность в обслуживании, зависящем от срока службы огнеупорной
футеровки;
- хорошая управляемость процесса: возможна компьютерная поддержка и
полностью автоматическая эксплуатация, что обеспечивает оптимальный
температурный контроль;
- возможна максимальная теплоотдача, при условии локального расчета и задания
технологических параметров;
- интенсивное перемешивание в ванне делает расплав однородным;
- загрузка, отбор проб и удаление шлака при выдержке жидкого металла, хотя и
с низкой эффективностью обычно, вместе с тем, для меди и алюминия отмечалась
высокая эффективность выдержки.
6.4.4.1.4 Недостатки:
- из-за монополии местного поставщика электроэнергии оператор полностью
зависит от условий подключения к местной электросети, стоимости энергии и любых
возможных дополнительных затрат (контроль пикового потребления и т.п.);
- затраты на электроэнергию выше стоимости использования ископаемого
топлива;
- очистка расплава в индукционной печи ограничена из-за малого количества
шлака и сравнительно малой контактной поверхности между шлаком и металлом.
Это требует использования высококачественной и, соответственно, более дорогой
шихты, чем для вагранки или электродуговых печей;
- установка требует больших инвестиций, хотя оператор может сэкономить на
дополнительных природоохранных затратах. Чистые затраты на тонну
установленного содержимого печи составляют примерно 375000 евро€;
- для мощностей более 15 тонн в час более подходят другие методы плавки. В
зависимости от предполагаемого сплава, может рассматриваться вагранка с горячим
дутьем или электродуговая печь;
- имеет низкую эффективность при выдержке из-за теплопотерь в
водоохлаждаемой индукционной катушке [13].
30
П-ООС 17.02-02-2012
6.4.4.2 Канальная индукционная печь
6.4.4.2.1 Описание
Данный тип печи используется в основном в целях выдержки, хотя она может
применяться и в качестве комбинированного устройства для плавки и выдержки.
Канальная индукционная печь состоит из большого, термоизолированного ковша,
оснащенного изолированной верхней крышкой для загрузки шихты (Рисунок 6.15). В
днище имеется один или несколько U-образных каналов. Вокруг этих каналов
располагается водоохлаждаемая индукционная катушка, обеспечивающая нагрев и
циркуляцию металла. Индукционный ток имеет частоту локальной электрической
сети. Печь обычно устанавливается в конструкции с гидравлическим
опрокидыванием для осуществления выпуска или работ по техническому
обслуживанию. Используются также герметичные печи без опрокидывания.
Рисунок 6.15 - Типовая конструкция ванной канальной печи [19]
Для обеспечения функционирования внутри плавильного тигля и канала должно
оставаться минимальное количество расплавленного металла. Плавильный тигель
должен оставаться заполненным на треть своего объема. При определении
емкости поворотного миксера обычно указываются два значения, общий объем и
полезный объем; например, 60/35 тонн. Разница между этими двумя значениями
представляет количества металла, которое должно оставаться в печи.
Теплопотери через воду охлаждения и стенку печи малы в сравнении с
индукционной тигельной электропечью. Оснащение печи разливочными каналами в
соответствии с ‘принципом чайника’ обеспечивает снижение окисления расплава и
износа огнеупора.
Благодаря большому объему плавильного тигля, выравниваются любые
изменения в составе расплава. Этот принцип, вместе с тем, снижает гибкость
31
П-ООС 17.02-02-2012
режима печи, поскольку для изменения на другой состав расплава требуется
длительный переходный период. Поэтому на практике выдерживается в целом
постоянный состав расплава.
Рисунок 6.16 - Канальная индукционная печь [6]
Канальная индукционная печь находит основное применение в качестве
поворотного миксера на чугунолитейных предприятиях. Примерное изображение
приведено на Рисунке 6.16. Это тип печи, избираемый для эксплуатации в дуплексном
режиме с вагранными печами. Емкость варьируется в диапазоне от 5 до более 100
тонн. Поворотный миксер служит буфером между плавильным и литейным цехом.
Важно в полной мере оценить требования литейного предприятия и производства
при решении вопроса об использовании поворотного миксера. Могут существовать
более экономичные и энергоэффективные способы удовлетворения этих
требований, поэтому рекомендуется тщательно изучить все возможные решения,
прежде чем принимать решение. Для алюминия канальный тип используется редко,
из-за трудностей с поддержанием канала открытым, а также необходимости
постоянного поддержания расплавленного «болота».
Важным моментом при принятии решения относительно размера канальной печи
являются требования к выходным характеристикам. Предпочтительным может быть
выбор меньшей печи. Несмотря на меньшую эффективность печи меньшего
размера, потеря эффективности компенсируется ее меньшим годовым
потреблением электроэнергии в сравнении с печами больших размеров [13], [18],
[19],
6.4.4.2.2 Преимущества:
- высокая полезная теплоотдача в качестве поворотного миксера;
- минимальное выгорание элементов сплава;
- нетребовательность в обслуживании.
6.4.4.2.3 Недостатки:
- для обеспечения должного функционирования электрооборудования в корпусе
печи должно оставаться минимальное количество расплавленного чугуна, которое,
однако, может составлять существенную часть емкости печи;
- невозможен холодный пуск печи из-за ограниченной удельной мощности,
достижение которой возможно в контуре;
- сложность отслеживания износа каналов;
- потенциальная опасность непреднамеренных утечек из-за индукционной
катушки в днище;
- сложность предупреждения контакта между водой охлаждения и металлом [13].
6.4.4.3 Характер выбросов в атмосферный воздух
Поскольку в индукционной печи отсутствует горение угля или топлива и не
осуществляются операции по очистке, выбросы зависят исключительно от чистоты и
состава загружаемого материала. Можно выделить две основные категории
выбросов. Первая, и основная, категория связана с чистотой шихты, например,
32
П-ООС 17.02-02-2012
присутствием
ржавчины,
грязи,
формовочного
песка,
краски,
масла,
гальванизированного или напаянного металла; - все эти элементы вызывают выброс
пыли. Вторая категория связана с химическими реакциями при высоких
температурах (например, при выдержке или корректировке состава металла),
которые образуют металлургические дымы вследствие окисления.
Кроме того, небольшое количество частиц пыли в выбросы может добавлять
огнеупорная футеровка (кислая на основе SiO2, нейтральная на основе Al2O3 или
щелочная на основе MgO).
Получение усредненных данных по выбросам представляет сложность, поскольку
чистота шихты, являющаяся доминирующим компонентом образования выбросов,
варьируется в зависимости от литейного производства.
6.4.5 Печь с излучающим сводом (с нагревом сопротивлением)
Печь с излучающим сводом представляет собой энергосберегающий поворотный
миксер, имеющий конструкцию корпуса с усиленной изоляцией и батареями
резистивных нагревательных элементов в изолированном своде на шарнирах. Они
применяются в основном в цветной металлургии для литья (алюминия) под давлением
в металлические формы в цехах с централизованными плавильными установками.
Типовые установки имеют мощность 250 – 1000 кг при подключенной нагрузке от 5 до
12 кВт. Раздаточный и загрузочный колодцы отделены от основной ванны стенками из
огнеупоров, соединительные проходы у дна обеспечивают пропуск чистого металла из
одной зоны в другую. На Рисунке 6.17 дан схематический вид принципа излучающего
свода.
Рисунок 6.17 - Печь с излучающим сводом [18]
Преимущества печей с излучающим сводом:
- не требуется литейный тигель;
- очень низкие энергозатраты;
- точный контроль температуры;
- хорошие условия работы (чистота, прохлада, тишина).
Хотя большинство экономичных поворотных миксеров обслуживают отдельные
литейные машины, некоторые модели больших размеров можно использовать в
качестве буферов между массовыми плавильными аппаратами и механическими
печами. Эксплуатация в таком варианте обеспечивает более эффективное
использование плавильного устройства, которое редко бывает эффективным для
целей выдержки.
33
П-ООС 17.02-02-2012
На отдельных литейных производствах используют крупные, более мощные печи
с излучающим сводом для плавки, например, для получения расплавленного
металла для литья в формы под низким давлением. Отдельные производители
создают варианты печей с излучающим сводом, которые можно полностью
герметизировать и изолировать газом для эксплуатации в качестве печей-дозаторов.
Печи-дозаторы обеспечивают точную подачу металла для литья под давлением или
самотеком и конкурируют, в определенной мере, с механическими ковшовыми
системами в качестве автоматических систем разлива. При условии качественного
обслуживания и эксплуатации печи с излучающим сводом могут обеспечить
полезный контроль температуры и массы порции заливки, а также повышение
продуктивности.[18]
6.4.6 Роторная печь
6.4.6.1 Описание
Роторная печь состоит из горизонтальной цилиндрической реторты, в которой
загрузка нагревается горелкой, расположенной с одной стороны печи. Отходящие
газы покидают печь с противоположной стороны. Для получения необходимой
теплоты используется печное топливо или природный газ в смеси с воздухом или
кислородом.
Опрокидывающий механизм позволяет поднимать печь под определенным углом
или в вертикальное положение. Это положение используется для загрузки печи с
помощью бадьи с откидным днищем или вибролотка, а также для ремонта или
замены футеровки. Во время нагрева и плавки печь медленно вращается,
обеспечивая перемещение и распределение тепла. Атмосфера печи регулируется
соотношением воздуха (кислорода)/топлива.
После расплавления металла, проверки и корректировки состава в передней
части печи открывается выпускное отверстие и расплав выпускается из печи в
ковши. Благодаря своей меньшей удельной плотности, шлак плавает поверх
металлической ванны в печи и на заключительном этапе собирается через
выпускное отверстие в шлаковые чаши.
Цикл плавки составляет от 1½ до нескольких часов. Для непрерывного
получения расплавленного металла на литейных предприятиях устанавливаются от
2 до 4 вращающихся печей, которые работают последовательно. Теплоотдача
вращающейся печи является очень высокой, от 50 до 65 %3, в зависимости от
емкости. Такой высокий выход достигается за счет использования в качестве
среды горения кислорода вместо воздуха.[1]
6.4.6.2 Порядок плавки
Для плавки литейного чугуна в печь загружается передельный чугун, литейный
возврат, стальной лом, шлакующие (например, песок, известь) и науглероживающие
реагенты (например, графит). Цикл плавки начинается со слабого окислительного
короткого факела (воздушный коэффициент, λ = 1.03), который дает максимальное
подведение энергии. Печь поворачивается пошагово на 90º, направление вращения
периодически изменяется. Таким образом стенки печи могут осуществлять
теплообмен с шихтой посредством конвекции. Как только шихта расплавится, факел
уменьшается для предупреждения избыточного окисления легирующих элементов.
При перегреве и выдержке применяется длинный восстановительный факел (λ =
0,9), а движение печи сменяется на полное постоянное вращение. Слой шлака
обеспечивает теплоизоляцию и предупреждает выгорание легирующих элементов.
После контроля и корректировки состава расплава и температуры открывается
выпускное отверстие и металл выпускается в ковши. Шлак плавает поверх
металлической ванны и собирается отдельно после выпуска металла.
3
34
При условии, что не учитывается энергия для получения кислорода. С учетом производства кислорода эффективность будет на 10 - 15 %
меньше.
П-ООС 17.02-02-2012
Срок эксплуатации огнеупора в значительной мере зависит от температуры
перегрева и состава шихты. На этапе загрузки необходимо предупреждать
механические удары и холодные пуски. Атмосфера печи, время выдержки, скорость
вращения и положение горелки также влияют на срок эксплуатации огнеупора. В
нормальных условиях срок эксплуатации огнеупора составляет от 100 до 300 циклов
плавки.[1], [13]
6.4.6.3 Металлургия
Вращающаяся печь используется в цветной металлургии многие годы. В данном
применении традиционные горелки могут обеспечить относительно низкие
температуры плавки. Разработка кислородно-воздушных горелок позволила
организовать производство литейного чугуна, используя большую относительную
долю стального лома и применяя графит для науглероживания.
Значительным недостатком вращающейся печи является выгорание в ней также
Fe, C, Si, Mn. Эти потери необходимо компенсировать добавлением легирующих
элементов до и после плавки. Эффективность поглощения этих элементов обычно
довольно низкая. Могут возникать перепады концентраций между передней и задней
частью металлической ванны из-за отсутствия осевого движения и из-за
неоднородности излучения и атмосферы над широкой поверхностью ванны.[13]
6.4.6.4 Применение
Благодаря своему прерывному характеру, вращающаяся печь обеспечивает такую
же гибкость, как индукционная тигельная электропечь в производстве литейного
чугуна. Однако инвестиционные затраты ниже. 5-тонная печь стоит 500000 – 600000
евро€, из которых 30 % идут на систему вытяжки и удаления пыли. Вращающаяся
печь является также хорошей альтернативой для маломощной вагранки с холодным
дутьем благодаря своей большей гибкости и меньшим экологическим затратам.
Вращающиеся печи используются для плавки объемов от 2 до 20 тонн при
производственной мощности от 1 до 6 тонн в час.[13]
6.4.6.5 Преимущества:
- возможна быстрая смена сплава;
- плавка без загрязнения, например, без серного поглощения;
- низкие инвестиционные затраты;
- небольшая система удаления пыли в связи с низкой интенсивностью выделения
отходящих газов;
- простота обслуживания.
6.4.6.6 Недостатки:
- легкое выгорание C, Si, Mn;
- расход газа и кислорода может быть высоким при отсутствии постоянной
эксплуатации;
- энергопотребление возрастает при добавлении большего количества стали в
шихту.[13]
6.4.7 Подовая печь
Подовая печь известна также под названием отражательной или раздаточной
печи. Это статическая печь с прямым нагревом. Горячий воздух и газы горения из
жидкостных или газовых горелок нагнетаются поверх металла (расплава) и
выводятся из печи. Подовая печь находит применение в основном в плавке
цветных металлов. Конструкция типовой печи представлена на Рисунке 6.18.
35
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.18 - Поперечный разрез подовой печи [4]
Это печь с огнеупорной футеровкой и прямоугольной или круглой ванной,
нагреваемая горелками, установленными в стенках или в своде. Применяются
многие виды топлива, для увеличения скорости плавки могут дополнительно
использоваться кислородно-топливные горелки. Обычно осуществляется вывод и
обработка газов сгорания, для этого печи изготавливаются частично герметичными.
Камины и закрытые желоба обеспечивают отвод при выпуске и загрузке. Печь может
быть выполнена в ряде конфигураций, в зависимости от конкретного металла и
применения, вариации включают устройство наклонных подов и боковых колодцев
для целей конкретных плавок, фурм и фурменных отверстий для подачи газов. Печи
иногда могут наклоняться для разлива или дутья металла.
Плавильная мощность подовой печи обычно невелика из-за слабой
теплопередачи от горелки. Мощность увеличивается на практике посредством
кислородного обогащения или использования комбинаций газового и твердого
топлива для увеличения длины факела. Эти печи используются для серийной
плавки, очистки и выдержки различных металлов. Подовые печи применяются в
основном для плавки больших объемов цветных металлов [20].
Большие подовые печи обеспечивают быструю плавку и могут перерабатывать
крупные материалы в шихте, однако непосредственный контакт между пламенем и
шихтой может приводить к большим потерям металла, поглощению газов и
значительному образованию оксидов. Может быть также затруднен контроль
температуры. Эти проблемы можно в определенной степени преодолеть, используя
продуманную методику. Например, образование окалины можно предупредить,
применяя подходящий порядок флюсования, а использование современных горелок
уменьшает проблемы с контролем температуры. После выпуска, фильтрации и
дегазации может применяться последующая обработка при перемещении металла в
поворотные миксеры. [4], [5], [18], [20]
6.4.8 Шахтная печь
6.4.8.1 Описание
Это - обычная вертикальная печь с подом (внутри или снаружи печи), имеющая
систему горелок, расположенных в нижней части печи, и систему загрузки в верхней
части. Горелки представляют собой обычные газовые горелки. Металл подается в
верхнюю часть печи и плавится при попадании в шахту. Для каждой горелки
36
П-ООС 17.02-02-2012
обеспечивается независимая регулировка топливовоздушной смеси. Для каждого
ряда горелок также осуществляется непрерывный контроль CO или водорода, а
контроль отходящих газов осуществляется поочередно для каждой горелки.
Отходящие газы обычно выводятся и очищаются. Для дожигания на верхних уровнях
шахтных или доменных печей используется дополнительный ввод кислорода или
воздуха выше зоны плавления.
Печь используется для плавки чистого металла, но иногда ее можно
использовать для плавки металла, загрязненного органическими примесями. Если в
печь попадает замасленный металл, то он подвергается воздействию градиента
температуры, имеющемуся между загрузочной камерой и горелками. При низкой
температуре может образовываться туман, обусловленный частично сгоревшими
органическими
соединениями.
Шахтная
печь
также
используется
для
предварительного подогрева шихты перед плавлением. Типичная схема такой печи
представлена на Рисунке 6.19.
Данный тип печи используется только для плавления цветного металла, главным
образом для алюминия. Из-за сложности конструкции и трудоемкости процесса
восстановления огнеупорного слоя, печь используется только для металлов с низкой
точкой плавления. Поэтому, требования к обслуживанию футеровкаи печи
ограничены. Обычно срок службы огнеупорного слоя составляет 4 - 8 лет.
Современные плавильные печи, имеющие горелки с компьютерным
управлением, достигают мощности 650 кВтч на тонну расплавленного Al (при 720
ºC). Теоретически необходимая энергия составляет 320 кВтч на тонну.
Следовательно, термический к.п.д. составляет 50 %.
Шахтная печь представляет собой непрерывную плавильную печь большой
емкости, в пределах от 0.5 до 5 тонн в час и имеющая вместимость до 50 тонн.
Вследствие наличия эффекта захватывания, изменение состава сплава
затруднено.[18],[20].
Рисунок 6.19 - Шахтная печь [18]
37
П-ООС 17.02-02-2012
6.4.8.2 Преимущества:
- вследствие длительного предварительного подогрева, шихта очень хорошо
высушивается до начала процесса плавления. Это дает преимущества при
использовании такой печи для плавки Al, вследствие снижения риска поглощения
водорода;
- относительно низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы.
Эксплуатационные расходы удерживаются низкими, вследствие эффективного
предварительного подогрева, автоматического регулирования и продолжительного
срока службы огнеупорного слоя;
- технические преимущества: возможность контроля малых количеств
сжигаемого газа, отличная возможность регулировки температуры и низкие потери
металла.
6.4.8.3 Недостатки:
- отсутствие гибкости по отношению к возможности изменения сплава. [13]
6.4.9 Тигельная печь
6.4.9.1 Описание
Представляет собой простой тигель, нагреваемый извне газовой горелкой или
горелкой, работающей на жидком топливе, электричеством или, для достижения
более низких температур, жидким теплоносителем. Для предотвращения
образования зон температурного перегрева (локальной ликвации) в основе тигля и
для получения возможности хорошей регулировки температуры в расплаве, для
предотвращения окисления и испарения металла, следует избегать контакта с
прямым пламенем.
Этот тип печей используется только для плавки цветных металлов. Благодаря
косвенному нагреву (через стенки тигля) отсутствует выгорание или внедрение газа.
Такие печи используются для производства малых количеств расплавленного
металла (менее 500 кг за загрузку) и при низких производственных мощностях.
Пример таких печей представлен на Рисунке 6.20.
Рисунок 6.20 - Тигельные печи [6]
Тигель наклоняется вручную с помощью крана или автоматически для вывода
расплавленного металла в литейную форму. При плавке материалов на основе
меди, используются только графитовые тигли или тигли из карборунда (карбид
кремния), тогда как для плавки алюминия также можно использовать тигли из
литейного чугуна.
Тигли, используемые для приема, переноса и подготовки металла на
металлургических заводах для литья стали, называют ковшами. [3], [13], [21]
6.4.9.2 Плавильный процесс
38
П-ООС 17.02-02-2012
Холодная загрузочная масса помещается в тигель и нагревается при полной
мощности до ее расплавления. При 50 - 100 ºC, ниже температуры плавления,
нагрев прекращается, и процесс нагрева далее продолжается под действием
тепловой инерции тигля. В дальнейшем температура выравнивается с помощью
системы управления. После удаления шлака может проводиться подготовка
металла. Это включает удаление кислорода, дегазацию, уменьшение зерна и
корректировку летучих металлов, таких как цинк и магний. Затем, перед разливом
металла, еще раз удаляется шлак.
Кроме регулярного восстановления тигля, никакого другого обслуживания не
требуется. Время восстановления, прежде всего, зависит от расплава. Целый ряд
расплавов вызывают очень интенсивный износ тигля. Тигли, изготовленные из SiC,
используемые для сплавов с низкой температурой плавления, имеют срок службы
130 - 150 загрузок. Для высокотемпературных расплавов срок службы составляет 50 - 80 загрузок.
Термическая эффективность составляет 750 – 3000 кВтч на тонну алюминия, т.е.
КПД - 15 - 30%. [13], [21], [22]
6.4.9.3 Преимущества:
- простая технология;
- низкие эксплуатационные расходы;
- гибкость по отношению к изменению состава сплава.
6.4.9.4 Недостатки:
- низкая эффективность и производительность. [13]
6.4.10 Подготовка расплава
Чтобы гарантировать хорошее качество отливки, расплавленная сталь
нуждается в дальнейшей обработке: удалении примесей и возможных причин
возникновения дефектов, т.е.:
- Раскисление. Кислород растворяется в жидкой стали, в соединении FeO. Во
время отвердевания, кислород может объединяться с углеродом в стали, формируя
CO. Таким образом, этот процесс может изменить состав стали и стимулировать
образование пористости. Поэтому, всегда необходимо проводить процесс
раскисления. Раскисление выполняется с помощью элементов, которые связывают
преимущественно кислород. Кремний, силицид кальция, титан, цирконий и
алюминий – это элементы, которые можно использовать в качестве раскислителей,
причем алюминий является самым сильным из них и, поэтому, чаще всего
используется. Алюминий добавляется в форме стержня или провода (Рисунок 6.21).
Обработка обычно выполняется в печи и в ковше. Полученный оксид алюминия
нерастворим в расплаве и смесях, содержащих шлак.
39
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.21 - Процесс раскисления, при котором используется алюминиевая
проволока [6]
- Образование сульфида. При увеличении предела прочности стали,
усиливается вредное воздействие серы. Сера находится в растворенном виде в
жидкой стали, но на стадии затвердевания она осаждается как MnS. Осадок может
принимать различные формы и оказывать различное влияние. Форма сульфидов
связана с остаточным содержанием алюминия после раскисления. Остаточное
количество Al должно допускать образования сульфидов типа III. [13], [10]
6.4.11 Подготовка литейного металла
6.4.11.1 Процесс плавления
В процессе плавления некоторые элементы в расплаве окисляются и выпадают в
виде шлака. В конце периода плавления точность элементного состава в расплаве
нуждается в корректировке, чтобы гарантировать соответствующее качество
конечного металла. Для чистого литейного железа это касается: C, Si, Mn, S и P.
Если требуется получить специальные свойства металла, то необходима добавка
специальных легирующих элементов, от алюминия до циркония, при концентрациях
от менее 1 % до более чем 30 %. Обычно они добавляются в виде металлических
блоков или гранул. Добавка выполняется в жидкий расплав, так как это снижает риск
потерь при окислении.
Ввод присадок выполняется в печи в поток расплавленного металла во время
отливки или путем ввода присадки в транспортный ковш перед розливом в него
расплавленного металла. [13]
6.4.11.2 Гомогенизация
При добавлении легирующих элементов в расплаве могут образовываться
примеси, например, оксиды, сульфиды или карбиды. Чтобы понизить отрицательное
влияние этих соединений, металл разогревается до температуры 1480 ºC - 1500 ºC.
Однако перегрев может привести к выделению графита в процессе затвердевания.
Гомогенизация имеет следующие положительные моменты:
- уменьшение оксидов (FeO, SiO2, MnO) C, с помощью образования пузырьков
CO. При их прохождении через расплав, эти пузырьки удаляют H2 и N2 в расплаве;
- при высокой температуре и при интенсивном движении ванны, происходит
более быстрая коагуляция примесей и их выход на поверхность расплава, где они
затем связываются в шлак. [13]
6.4.11.3 Десульфуризация и рекарбюризация чугуна при плавке в вагранке
40
П-ООС 17.02-02-2012
Вследствие плотного контакта жидкого металла с коксом, плавка железа в
вагранке дает относительно высокое содержание серы. Наличие серы в вагранке
уменьшает вязкость жидкого металла, что является полезным в некоторых случаях,
например, при более тонких отливках серого чугуна.
Однако, если литейный чугун требуется легировать с помощью Mg (как описано в
следующем разделе), для производства качественного чугуна с шаровидным
графитом, то необходима нейтрализация серы для предотвращения чрезмерного
расхода Mg. Это осуществляется с помощью одного из целого ряда методов. Для
перемешивания металла используется азот и к металлу добавляется порошок CaC2.
При контакте с жидким металлом образовывается CaS и удаляется как шлак.
Подготовленный металл затем заливается в ковш, в котором он переносится для
дальнейшей работы.
6.4.11.4 Образование в расплаве шаровидного графита
Чугун с шаровидным графитом получается с помощью добавления к
расплавленному металлу Mg, либо чистого, либо в виде легирующей присадки
FeSiMg или NiMg. До этого может понадобиться предварительная десульфуризация,
чтобы гарантировать успешное осуществление процесса образования шаровидного
графита. Наличие в расплаве Mg вызывает затвердевание графитовой фазы в
форме микроскопических сфер. Это повышает механические свойства металла,
например, нагрузочную способность и пластичность.
Существует несколько методик, которые могут применяться для введения Mg в
жидкий металл:
- Метод доливки. Это самый простой метод, с помощью которого жидкий металл
заливается в ковш, на дне которого находится легирующая присадка Mg.
- Двухслойный метод. В этом методе легирующая присадка, содержащая Mg,
размещается в нижней части специально изготовленного ковша и покрывается
стальными листами или FeSi, как показано на Рисунке 6.22. Металл заливается в
ковш и, после расплавления покрытия, происходит взаимодействие с Mg.
- Промежуточное покрытие. Эта методика представляет собой улучшенный
двухслойный метод, в котором ковш закрывается крышкой после размещения
легирующей присадки, содержащей Mg, на дне ковша. Металл заливается в
вогнутую крышку и протекает через отверстие в ковш, где и происходит реакция.
- Метод погружения. Используя конусообразный плунжер, присадка Mg вводится
в жидкий металл до завершения реакции. Во время процесса легирования крышка
ковша закрывается, чтобы предотвратить выбросы твердых частиц MgO.
- Конвертер G Fischer. В этом процессе используется специальный ковш, крышка
которого плотно закрывается после заливки металла в конвертер в горизонтальном
положении. Конвертер затем переводится в вертикальное положение, позволяя
легирующей присадке, содержащей Mg, взаимодействовать с металлом. Как только
реакция завершится, конвертер возвращается в горизонтальное положение и
опорожняется после открытия крышки
- Инжекция с помощью проволоки. В этом методе очищенная присадка Mg,
используемая в виде порошка, заворачивается в луженый стальной лист, формируя
тем самым “заполненную трубку” (проволока с наполнителем). Затем, с помощью
управляемой подачи эта проволока вводится в узкий ковш, в котором Mg переходит
в расплав.
- Прохождение через присадку. В данном методе металл заливается в
специально изготовленную реакторную камеру, в которой заранее размещается
присадка, содержащая Mg.
- Завихритель. В этом методе металл заливается в реакторную камеру, в которой
поток заливаемого металла завихряется. Легирующая присадка Mg вводится в
вихревой поток с помощью инертного газа, используемого в качестве носителя.
41
П-ООС 17.02-02-2012
Легирование может выполняться для больших количеств металла или во время
заполнения литейной формы.
- Процесс формовки. В этом процессе легирующая присадка Mg,
сформированная в виде таблетки, помещается непосредственно в пустой литейной
форме (с литниковой системой). Реакция происходит во время заполнения литейной
формы, гарантируя высокую производительность.
Рисунок 6.22 - Двухслойный метод, используемых для образования
шаровидного графита [6]
После легирования металл требуется залить в литейную форму в течение
заданного промежутка времени, так как воздействие Mg быстро уменьшается,
требуя нового легирования, если указанный промежуток времени (10 - 15 минут)
превышен.
6.4.11.5 Модифицирование расплава
Присутствие грубого сформированного графита в металлической матрице
приводит к неудовлетворительным механическим свойствам материала. Чтобы
получить отличную кристаллическую металлографическую структуру, до разлива
металла необходимо провести процедуру модифицирования. В этом процессе в
расплав металла добавляются ядра для роста кристаллов. Обычно, для этих целей
используются присадки FeSi. В модификатор часто добавляются Ca, Al, и
редкоземельные металлы.
Точно также, для модифицирования расплавленного металла можно
использовать несколько методик:
- Ввод присадки во время выпуска расплава. В этом методе модификатор
вводится непосредственно в поток металла во время выпуска плавки.
- Ввод присадки во время разлива металла. В этом методе модификатор
вводится непосредственно в поток металла во время заливки в литейную форму
(Рисунок 6.23)
- Ввод в расплав проволоки с наполнителем, содержащим легирующую присадку
(раздел 6.4.11.4)
- Процесс формовки (раздел 6.4.11.4).
42
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.23 - Модифицирование в процессе заливки [6]
6.4.12 Легирование цветных металлов
Существует три основных операции подготовки (или легирования) металлов,
выполняемых в процессе плавки алюминия:
- Дегазация. В расплавленном алюминии растворяется водород, который затем
выводится после охлаждения расплава и, таким образом, может привести к
пористости в конечной отливке. Водород, поэтому, должен быть удален. Это
осуществляется путем пропускания инертного газа через расплав. При
использовании хороших методов дегазации пузырьки имеют большое время жизни и
большую площадь поверхности. Дегазация алюминия выполняется, главным
образом, используя центробежные методики. В этом методе используется быстро
вращающаяся мешалка, а в расплав вводится азот. Дегазация часто объединяется с
очисткой расплава. Очистка выполняется для удаления щелочных или
щёлочноземельных металлов, например, Ca. Очистка может осуществляться с
помощью газа Cl2. Использование HCE для таких целей запрещено в ЕС (Директива
97/16/EC). Для проведения одновременной дегазации и очистки обычно
используется смесь азота с 3%-ым Cl2. При других методах дегазации используются
таблетки, трубка для подачи газа с пористой головкой, или пористый камень в
раздаточной печи.
- Модификация и измельчение зерна. При легировании алюминиевых сплавов в
расплав обычно вводятся небольшие количества металла. Эти добавки
контролируют размер зерна и модифицируют микроструктуру затвердевающего
металла и, таким образом, улучшают механические свойства отливки. Натрий или
стронций используются для модификации, в то время как модификация зерна
выполняется с помощью титана, борида титана, циркония или углерода.
- Добавление флюса. Эта операция обычно включает добавку в расплав
основных флюсов на основе твердого фторида, которые служат для удаления
твердых загрязняющих примесей. [4], [23], [24]
6.5 Изготовление литейной формы и вставок
Процесс формовки состоит из создания литейной формы, в которую будет
заливаться расплавленный металл. Может понадобиться, чтобы некоторые
литейные
формы
имели
специальные
свойства,
чтобы
получить
высококачественные отливки, которые, например:
- точно воспроизводят форму и с высокой степенью точности повторяют размеры
модели отливки;
- дают гладкую наружную поверхность отливки, что позволяет избежать
последующей обработки;
- позволяют избежать любых дефектов отливки, например, трещин, скручивания,
пустот и т.д.;
43
П-ООС 17.02-02-2012
Так же как литейная форма определяет внешнюю форму отливки, полости
определяют ее внутреннюю структуру, или по крайней мере, участки, не достижимые
непосредственно формовкой.
Литейные формы можно разделить на две большие категории:
- одноразовые литейные формы (литейные формы одноразового
использования): Такие формы специально изготавливаются для каждой отливки и
разрушаются после их использования. Литейные формы в основном
изготавливаются из формовочного песка и связываются с помощью химических
соединений, глины или даже вообще не связываются. Литьё по выплавляемым
моделям также может быть включено в эту категорию;
- постоянные литейные формы (многократно используемые литейные формы):
Такие формы используются для свободной заливки в форму и литья под низким
давлением, для литья под давлением и для центробежного литья. Обычно литейные
формы являются металлическими.
Полости, используемые для отливок из черных металлов, практически всегда
изготавливаются из песка. Выбор используемой технологии зависит от различных
факторов, например, размеров отливки, производительности, заливаемого металла,
способов выбивки отливок из форм, и т.д.
При формовке в песке литейная форма может изготавливаться вручную или
путем механического уплотнения формовочного песка, например, тряски,
прессования, уплотнения сжатым воздухом, вибрации и т.д. Если литейная форма
имеет достаточную прочность, она примиеняется в качестве модели, которая может
затем использоваться для изготовления новой формы.
Обычно, стержни изготавливаются с помощью таких же методов, как и литейные
формы, но стержни малых или средних размеров часто изготавливаются в
деревянных, пластмассовых или металлических стержневых ящиках.
При литье цветных металлов около 30 % медных сплавов заливаются в
песчаные литейные формы. Только около 10 % легких цветных металлов
заливаются в однократно используемые литейные формы [1], [13], [25]
6.5.1 Сырье
6.5.1.1 Огнеупорные материалы
Независимо от используемого связующего соединения, физические и химические
свойства огнеупорных материалов, используемых для изготовления литейных форм
или вставок, влияют на их характеристики и поведение в процессе заливки. Это не
удивительно, поскольку эти материалы составляют 95 - 99 % от используемых.
На покупную цену каждого типа песка оказывают влияние четыре основных
элемента – извлечение, подготовка, упаковка и транспортировка. Затраты на
транспортировку изменяются для различных регионов. Основным фактором,
определяющим цену, является тип песка. Средняя покупная цена для различных
типов песка изменяется в довольно больших пределах. Различные типы
огнеупорных песков, используемых в литейном производстве, описаны в следующих
разделах.
6.5.1.1.1 Кварцевый песок
Этот тип песка используется наиболее часто, главным образом из-за его
широкой пригодности и относительно низкой стоимости. Кварцевый песок состоит из
минерализованного "кварца" (SiO2), который представлен в более или менее чистом
виде, в зависимости от состава. Удельный вес сухого песка колеблется в диапазоне
2.5 - 2.8 кг/дм³. Объемная плотность (или объемный вес в рыхлом состоянии) сухого
кварцевого песка составляет 1.4 - 1.6 кг/дм³.
Тепловое расширение кварцевого песка вызывает смещение литейной формы в
процессе отливки и охлаждения. Поэтому используются специальные присадки,
44
П-ООС 17.02-02-2012
особенно при отливке с пустотами, чтобы предотвратить неточности отливки. Это
может быть вспушенная деревянная масса, оксид железа или вулканизируемая
формовочная смесь. Песок, содержащий полевой шпат, имеет более низкое
тепловое расширение, чем чистый кварцевый песок, и более низкую точку
агломерации, но он широко используется для минимизации дефектов расширения
отливки.
Кварцевый песок является нейтральным и совместим со всеми связующими
составами и нормальными литейными сплавами. Вдыхаемые макрочастицы (RPM)
кварца отнесены IARC к категории канцерогенных [26] Это представляет собой
проблему для здоровья и безопасности. В настоящее время продолжаются
исследования, существует ли также при этом проблема загрязнения воздуха.
Количество кварца в пыли определяется по содержанию кварца в исходных
материалах.
В технологии изготовления сырой формовочной смеси контроль распределения
по размерам зерна является очень важным. На Рисунке 6.24 показано типичное
распределение по размерам зерна для кварцевого песка. Распределение по
размерам зерна используется для расчета AFS-номера (AFS - Американское
общество литейщиков). Этот номер определяет полную чистоту песка. Чем выше
AFS-номер, тем более высокая степень качества песка. Другой системой
классификации является средний размер зерна или MK.
Более высокий сорт песка содержит больше зерен в одном грамме, и таким
образом более высокую площадь поверхности. Это требует добавления большего
количества связывающего состава для получения равной нагрузочной способности
литейной формы. Поэтому операторы стараются использовать самый грубый песок,
но тот, который все же обеспечивает хорошую поверхность с точки зрения чистоты
обработки. Стандартные AFS-номера находятся в диапазоне 50 – 60. Для получения
очень гладких поверхностей необходимо использовать чистый песок, обычно
используется песок с AFS 90 – 110. Чистые пески также используются в случаях
удаления покрытия изложницы. [3], [7], [13]
Рисунок 6.24 - Типичное распределение по размерам зерна для кварцевой
формовочной смеси [13]
45
П-ООС 17.02-02-2012
6.5.1.2 Связывающие составы и другие химические продукты
6.5.1.2.1 Бентонит
Бентонит представляет собой бентонитовую глину, имеющую пластинчатую
структуру. При добавлении воды, структура глины расширяется, благодаря
адсорбции молекул воды. Затем глина становится пригодной для работы и ее можно
разминать, чтобы плакировать зерна песка во время смешивания.
Естественные бентониты кальция не разбухают и не становятся подобными
желатину при смешивании с водой. В настоящее время они используются редко, в
основном только для очень специального литья. С другой стороны, эти материалы
могут быть "активизированы" путем их обработки кальцинированной содой, чтобы
придать им свойства "активизированного бентонита". Они широко используются на
сталелитейных заводах по всей Европе; их свойства приближаются к свойствам
естественного бентонита натрия.
Естественный бентонит натрия очень разбухает при его смешивании с водой.
Основными свойствами сырой формовочной смеси являются своя высокая
прочность в сухом состоянии, хорошая совместимость к изменению содержания
влаги, высокое сопротивление к прогару и их улучшенная высокотемпературная
стойкость. Так как эти материалы импортируются из США, где они широко
используются, их цена обычно способствует их использованию в высоко
качественных стальных отливках или в смесях с активизированным бентонитом
кальция.
Разлив расплавленного металла в литейную форму, изготовленную из сырой
формовочной смеси подвергает формовочную смесь действию значительных
температур. При таких температурах уменьшается влажность песка и разрушается
связанная с помощью глины структура (и присадки). Если во время разлива и
охлаждения бентонит остается при температуре ниже температуры дезактивации,
его пластинчатая структура сохраняется, как и его способность к разбуханию и
усилению когезии. Температура дазактивации может изменяться в зависимости от
типа бентонита. [1], [3], [7], [27]
6.5.1.2.2 Смолы
За последние несколько десятилетий был разработан целый ряд химических
связывающих составов. Они представляют собой одно- или многокомпонентные
системы, которые смешиваются с формовочной смесью, пока все зерна не будут
плакированы тонкой пленкой. После смешивания начинается реакция отвердевания,
связывающая зерна песка между собой и увеличивающая тем самым прочность
литейной формы. Смолы могут быть классифицированы согласно методу
отвердевания:
- смолы, отвердевающие при обычной температуре (ХТС);
- смолы, отвердевающие под действием газа;
- смолы, вулканизирующиеся под действием температуры (ГТС).
Различные типы смолы будут рассматриваться в разделе 6.7.6. В таблице 6.5
представлен обзор применяемости различных смол.
Таблица 6.5- Обзор различных типов смол и их применимость [13]
Метод
отвердевания
Тип смолы
Прои
Прои
Темпер
("коммерче зводство зводство атура
ское
форм
полостей затвердева
название")
ния
Холодн
Фуран
Сред
Отде
10 - 30
ое
ний
- ль-ные
ºC
затвердевабольшой
ние
46
Врем
я
затверде
вания (*)
10 120 мин
Тип
Разм
ы
еры
металло
в
Чер
Малы
ные
+е
–
цветные большие
П-ООС 17.02-02-2012
Фенольны
10 Чер
Малы
180 мин ные
большие
Полиурета
Малы
Отде
10 - 30
5 - 60
Чер
Малы
н
й
- ль-ные
ºC
мин
ные
+е
(“Pepset/Pentex средний
цветные большие
")
Резол
–
Малы
Отде
10 - 30
5
Чер
Малы
сложный эфир й
- ль-ные
ºC
400 мин ные
+е
("Alfaset")
большой
цветные большие
Алкидная
Боль
Отде
10 - 30
50
Ста
Малы
смола
шое
ль-ные
ºC
мин
ль
е
Силикат –
Сред
Нет
10 - 30
1 - 60
Чер
Малы
Жидкое стекло нее
ºC
мин
ные
+е
большое
цветные средние
Затверд
Фенол/Фур
Мало
Да
10 - 30
<60 с
Чер
Все
ева-ние под ан1 ("Hardox") е
ºC
ные
+
действием
цветные
газа
Полиурета
Мало
Да
10 - 30
<60 с
Чер
Все
н ("Холодный е
ºC
ные
+
ящик")
цветные
Резол
Мало
Да
10 - 30
<60 с
Чер
Все
("Betaset")
е
ºC
ные
+
цветные
Акрил/эпок
Нет
Да
10 - 30
<60 с
Чер
Все
сиднаясмола
ºC
ные
+
("Isoset")
цветные
Силикат
Мало
Да
10 - 30
<60 с
Чер
Все
е
ºC
ные
+
цветные
Термоз
Нефтепро
Мало
Да
180
10 –
Чер
Малы
атдукт
е
240ºC
60 мин
ные
е
вердевание
"Горячий
Един
Да
50
20 Чер
Сред
ящик"
ичное
220 ºC
60
ные
ние
большие
"Горячий
Един
Да
220
20 Чер
Сред
ящик "
ич-ное
250 ºC
60 с
ные
+ ние
цветные большие
е
Боль
Нет
шой
10 - 30
ºC
120 Чер
Боль
180 с
ные
+ шие
цветные
(*) то есть время освобождения - время, в течение которого литейная форма/вставка
приобретает достаточную прочность и может быть удалена из модели
1 Не используется при нагрузках < 20 тонн/день
"Croning"
(Покрытие)
Да
Да
250
270 ºC
-
6.5.1.2.3 Каменноугольная пыль
Каменноугольная пыль обычно добавляется к сырой формовочной смеси при
изготовлении формы для литейного чугуна. Она используется ограниченно на
некоторых заводах для литья цветных металлов. Каменноугольная пыль может быть
смешана с малым количеством смол и нефтепродуктов. Во время отливки, при
уменьшении температуры, создается ‘глянцевый углерод’, который увеличивает
чистоту поверхности отливки и способность выбивки отливок из формы.
Каменноугольная пыль добавляется по трем причинам:
- для создания инертной среды в пустотах литейной формы во время разлива
при сгорании органических соединений, что, в свою очередь, замедляет окисление
металла (образование шлака);
47
П-ООС 17.02-02-2012
- для уменьшения проникновения металла в промежутки между зернами кварца,
путем осаждения графитовой пленки, которая также формирует поверхность
отливки;
- для уменьшения количество песка, остающегося на поверхности отливки при
ее выбивки из форм.
Кроме черной и вязкой пыли, образовавшейся при подготовке, каменноугольная
пыль может содержать или способствовать образованию полициклических
ароматических углеводородов во время отливки.
При литье стали каменноугольная пыль не используется из-за науглероживания.
В этом случае она обычно заменяется злаковыми связывающими составами,
например, крахмалом или декстрином.
Существуют различные типы заменителей каменноугольной пыли. Они содержат
смеси высоко летучих, блестящих углеродистых материалов, смешанных с глинами.
Обычно они более экологичны, чем каменноугольная пыль, то есть создают меньше
дыма во время заливки, хотя при некоторых вариантах замены каменноугольной
пыли в песке будет образовываться больше PAH. [3], [28]
6.5.1.2.4 Злаковые связывающие составы
Злаковые связывающие составы используются главным образом на
сталелитейных заводах, чтобы увеличить прочность и жесткость сырой
формовочной смеси. Существует два основных типа злаковых связывающих
составов: крахмал и декстрин. Крахмал является основным материалом и
производится на многих заводах, причем на литейных заводах наиболее часто
используется крахмал. Декстрин представляет собой вторично полимеризованную
форму крахмала, изготовленную путем последовательной кислотной и тепловой
обработки крахмала.
Крахмалы могут помочь в снижении дефектов расширения формы, так как их
выжигание дает возможность изменения формы гранул песка, не искажая при этом
литейной формы. Составы на основе злаков увеличивают прочность сырой и сухой
формы, а также ее жесткость, но могут уменьшить текучесть расплава. Декстрины
улучшают текучесть и способствуют удержанию влажности, затормаживая
высыхание литейной формы и разрыхление ее краев.
Добавки злаковых связывающих составов не улучшают эрозионную стойкость
песка, и его сопротивление проникновению металла. [4], [10]
6.5.1.2.5 Оксид железа
Оксид железа взаимодействует с кварцем при высокой температуре и формирует
соединение, слабо подверженное плавлению, фаялит. Этот стекловидный пластик
спекает гранулы вместе. Он обычно используется при изготовлении стержневой
смеси, для уменьшения процесса формирование жил. [13]
6.5.1.3 Система подачи, литниковая система, питатели и фильтрация
Различные части системы подачи и литниковой системы показаны на Рисунке
6.25. Система выполняет следующие функции:
- контролирует потоки металла, перетекающие в пустоты литейной формы со
скоростью, позволяющей избежать холодных металлических дефектов в отливке;
- предотвращает образование турбулентности в потоке металла, входящего в
литейную форму;
- предотвращает попадание шлака и окалины, существующих в расплаве, в
литейную форму;
- предотвращает удар потока металла, движущегося с высокой скоростью, о
поверхность литейной формы или пустот;
- способствует образованию градиента температуры внутри отливки, что
помогает изготовлению плотных отливок;
48
П-ООС 17.02-02-2012
- способствует легкому освобождению системы подачи и литниковой системы от
застывшего металла.
Рисунок 6.25 - Элементы системы подачи и литниковой системы
[6]
При проектировании системы подачи необходимо принимать во внимание
изменение процессов образования шлака и окалины в заливаемом металле,
например:
- в пластинчатом чугуне может присутствовать некоторое количество печного
шлака, но в расплав он не попадает благодаря процессам окисления;
- чугун с шаровидным графитом содержит окалину, содержащую силикат и
сульфид магния, образовывающуюся при легировании;
- сталь восприимчива к окислению и формированию шлака;
- алюминиевые сплавы (алюминиевая бронза) подвержены образованию
окалины, вследствие чего на поверхности металла, находящейся в контакте с
атмосферой сразу же образуется окисная пленка.
Примеси в стали могут явиться результатом захвата шлака, эрозии печи,
футеровки ковша или огнеупорных материалов, или вследствие раскисления. Для
уменьшения образования примесей в настоящее время широко используется
фильтрация. Применение керамических фильтров даже позволило упростить
создание систем питания и литниковых систем. Различные типы фильтров показаны
на Рисунке 6.26.
Рисунок 6.26 - Различные типы используемых фильтров [6]
49
П-ООС 17.02-02-2012
6.5.2 Подготовка песка (транспортировка, просеивание, охлаждение,
смешивание)
6.5.2.1 Подготовка песка для приготовления сырой формовочной смеси
Одним из основных преимуществ использования сырой формовочной смеси
является то, что песок из литейных форм может быть восстановлен для
многократного повторного использования. Производственный цикл типичного завода
по приготовлению сырой формовочной смеси изображен на Рисунке 6.27, а
некоторые примеры смесителей формовочной смеси представлены на Рисунке 6.28.
Рисунок 6.27 - Технологическая схема производственного цикла типичного
участка по приготовлению сырой формовочной смеси [10]
50
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.28 - Различные типы смесителей формовочной смеси [29]
Поскольку песок обычно содержит металлические элементы в виде примесей,
например, осколки, капли расплава, куски вертикального литника или даже
небольшие части отливки, все эти включения должны быть удалены, сначала с
помощью магнитного сепаратора. Если разделение с помощью магнитного
сепаратора при чугунном литье не эффективно или не возможно, то разделение
может быть выполнено с помощью вихревых сепараторов. Оставшиеся куски
спекшегося песка затем разбиваются. Важно не нарушить структуру песка, чтобы
предотвратить расслоение песка и бентонита.
Обычно песок должен быть охлажден, чтобы сохранить уровень влажности
готового песка постоянным настолько, насколько это возможно, и избежать потерь
при испарении. Охлаждение часто выполняется в кипящем слое, что также
позволяет удалить пыль из песка, удаляя мелкие фракции.
Песок затем просеивается, чтобы удалить оставшиеся крупные фракции, и
засыпается в бункер перед смешиванием с заданным количеством присадок,
например, глиной, водой и т.д., для подготовки сырой формовочной смеси для
повторного использования. [1], [10]
6.5.3 Формовка с помощью природного песка
Некоторые литейные заводы используют природный связанный песок. Это песок,
который содержит естественный процент глины., которая необходима для
активизации процесса связывания. При необходимости, также могут быть замешаны
некоторые другие присадки. Приблизительный состав естественного песка
представлен в таблице 6.6.
Таблица 6.6 - Состав естественного песка [21]
Составы
Кварцевый
песок
Глина
Вода
Приблизительное
содержание в %
80
15
5
51
П-ООС 17.02-02-2012
При использовании естественного песка, который представляет собой уже
готовую природную смесь, отсутствуют высокие требования к перемешивающему
оборудованию, как при использовании синтетического песка. Он главным образом
используется на небольших литейных заводах для литья цветных металлов
(например, меди) и не используется на литейных заводах для производства чугуна и
стали.
6.5.4 Формовка с помощью песка связанного глиной (формовка сырой
формовочной смеси)
Формовка сырой формовочной смесью представляет собой самый общий
процесс формовки. Сырая формовочная смесь обычно не используется для
изготовления пустот. Пустоты формируются с помощью химических связывающих
составов. Сырая формовочная смесь – это единственный процесс, в котором
используют смесь сырого песка. Смесь приготавливается из приблизительно 85 - 95
% кварцевого песка (либо оливина, либо циркона); 5% - 10% бентонитовой глины;
3% - 9% углеродсодержащих материалов, например, порошкообразный уголь,
нефтепродукты, кукурузный крахмал или древесная мука; и 2% - 5% воды. Глина и
вода действуют как связывающие элементы, скрепляя гранулы песка.
Углеродсодержащие материалы сгорают, когда расплавленный металл заливается в
литейную форму, создавая восстановительную газовую среду, препятствующую
окислению металла при его затвердевании. В таблице 6.7 представлен обзор
присадок, используемых для различных типов металлического литья.
Таблица 6.7 Состав добавочной смеси для подготовки сырой
формовочной смеси (исключая воду) [30]
Металл
Отливка из чугуна
шаровидным графитом
Отливка из чугуна
пластинчатым графитом
Отливка из ковкого чугуна
Стальная отливка
Присадки для подготовки
сырой формовочной смеси
с
Бентонит
Связывающий состав на
с основе злаков*
Каменноугольная пыль
Бентонит
Связывающий состав на
основе злаков
Отливка
из
легкого
Бентонит
металла и алюминия
Связывающий состав на
основе злаков
Отливка из алюминийБентонит
магниевого сплава
Борная кислота
Отливка
из
тяжелого
Бентонит
металла (медные сплавы)
Связывающий состав на
основе
злаков
Каменноугольная пыль
*
Дополнительная
присадка
Сырая формовочная смесь имеет целый ряд преимуществ перед другими
способами литья, что подтверждено ее широко распространенным использованием.
Процесс может использоваться как для отливки черных, так и цветных металлов, и с
его помощью можно производить более разнообразный состав изделий, чем с
помощью любого другого способа литья. Например, сырая формовочная смесь
52
П-ООС 17.02-02-2012
используется для производства всех типов отливок, от небольшого, прецизионного
литья, до большой отливки, весом до тонны. Если обеспечено равномерное
прессование песка и точный контроль его свойств, то могут быть получены довольно
малые допуски по размерам отливки. Процесс также имеет преимущество в том, что
требует относительно короткого времени для изготовления литейной формы, по
сравнению со многими другими процессами. Кроме того, его относительная простота
делает его идеально подходящим для использования в механизированном
производственном процессе.
Хотя все еще используется ручная формовка, машинная формовка в настоящее
время является самой широко распространенной. Формовочной машиной должны
выполняться две последовательных операции: первоначальная трамбовка песка,
после чего следует снятие модели с уплотненной формы. В обычно используемых
производственных процессах соблюдаются рабочие правила, описанные ниже.
Формовочные прессовальные машины используют давление для уплотнения
песка, который подается под прессовую плиту или под много-поршневую прессовую
головку. Формовка путем одноразового сжатия становится менее эффективной при
увеличении размера половины литейной формы. В таких случаях, чтобы увеличить
качество прессования песка, следует использовать вибростол.
При ударном прессовании песок подается под действием силы тяжести в опоку и
уплотняется путем кратковременной подачи сжатого воздуха через быстрый рабочий
клапан. Этот процесс дает высокое и однородное уплотнение, особенно в песке,
окружающем модель.
Формовка без применения опоки, как с вертикальным, так и с горизонтальным
разделением, позволяет достичь значительной эффективности производства. Может
быть достигнута высокая точность литейной формы, но этот процесс требует
наличия эффективной установки и высококачественных моделей. [1], [5]
6.5.5 Формовка с помощью песка без связывающих составов (V-процесс)
Для этого процесса используется сухой песок, уплотненный путем вибрации без
каких бы то ни было связывающих добавок, и песок, удерживаемый между двумя
листами полиэтилена под частичным вакуумом.
Производство полуформ представлено на Рисунке 6.29. Процесс можно разбить
на следующие этапы:
- модель устанавливается в герметичной камере, которая связана с вакуумным
насосом. Модель вентилируется через отверстия небольшого диаметра,
расположенные в воздухонепроницаемой камере;
-тонкая пленка из полиэтилена винилацетата (REVA), имеющая толщину 75 - 100
микронов, нагревается до 85 ºC;
- пленка, которая расширена под действием температуры, накладывается на
модель
и
фиксируется
с
помощью
вакуума,
прикладываемого
к
воздухонепроницаемой камере;
- опока, в которой может быть создан вакуум, размещается на модели, и
заполняется сухим песком;
- этот песок уплотняется путем вибрации, выравнивается, и на песок
накладывается второй слой пленки REVA;
- воздух откачивается из опоки и одновременно с этим подключается вакуум к
воздухонепроницаемой камере; вакуум придает песку жесткость, и после этого
половина литейной формы может быть снята;
- вторая половина литейной формы изготавливается таким же образом, и затем
обе половины собираются и закрываются, при этом вакуум все еще продолжает
действовать;
53
П-ООС 17.02-02-2012
- теперь можно заливать металл. Эти две опоки остаются под действием вакуума
до тех пор, пока отливка не охладится в достаточной степени, чтобы ее можно было
извлечь;
- выбивка отливок из формы осуществляется путем простого отключения
вакуума: песок стекает из ящика через сетку и может быть переработан после
обеспыливания и отделения несгоревших пластмассовых листов. [10]
Рисунок 6.29- Вакуумная формовка [31]
6.5.6 Формовка и создание пустот с помощью химических связывающих
составов
Для создания пустот обязательно используются химически связывающиеся
составы. В процессе создания пустот требуются другие физические характеристики,
отличные от литейных форм; поэтому, связывающие составы, используемые для
создания пустот, могут отличаться от составов, используемых при изготовлении
литейных форм. Пустоты должны противостоять большим нагрузкам, которые могут
возникать, когда расплавленный металл заполняет литейную форму, и позднее
должны удаляться из небольших полостей в затвердевавшей отливке. Это означает,
что используемые связывающие составы должны обеспечить создание прочных,
твердых вставок, которые можно будет разрушить, чтобы очистить полость после
отвердевания отливки. Поэтому пустоты обычно формируются из кварцевого песка
(а иногда из оливина, циркона или хромитного песка) и сильного химически
связывающего состава. Песок и связывающий состав располагаются в стержневом
54
П-ООС 17.02-02-2012
ящике, где они затвердевают в заданной форме и затем удаляются. Затвердевание,
или вулканизация достигаются с помощью химической или каталитической реакцией
или под действием температуры.
В таблице 6.8 представлено относительное использование различных процессов
создания пустот на немецких автомобильных литейных заводах в 1991 г. Здесь
показано, что на рынке доминируют холодный стержневой ящик с амином и система
с горячей камерой. Более чем 90 % автомобильных литейных заводов используют
систему холодного стержневого ящика с амином. Другие процессы (оболочка, CO2силикат) используются главным образом как вспомогательные, то есть для создания
пустот со специальными требованиями (размер, толщина,…). [5], [10]
Таблица 6.8 - Процессы создания пустот, используемые на 48
автомобильных литейных заводах в Германии, 1991 г. [10]
Система
Холодный стержневой
ящик, использующий амин
Горячая камера
Оболочка/покрытие
(croning)
CO2 – силикат
Число
44
10
9
3
6.5.6.1 Процессы с холодным отвердеванием
Холодное отвердевание песков происходит при температуре окружающей среды.
Процесс начинается, когда в состав вводится последний элемент. Он затем
продолжается в течение от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от
процесса, количества связывающего состава и силы связывающего реагента.
Эти процессы чаще используются для изготовления литейных форм, чем для
пустот, особенно при средних или больших размерах отливки.
6.5.6.1.1 Фенолы с кислотными катализаторами
Этот процесс используется с 1958 г. Поскольку элементы относительно
дешевые, он главным образом используется для производства больших деталей. Он
применяется для всех типов сплавов. Затвердевание этих смол происходит более
сложно и менее постоянно, по сравнению со смолами фурфурана.
Смолы представляют собой либо фенол-формальдегид (PF), либо сополимеры
форм-мочевины/фенол-формальдегида (UF/PF), оба являются "резолами", с
отношением фенол-формальдегида выше единицы. Катализаторами являются
паратолуол, ксилол или сульфо-бензол, иногда с добавкой серной кислоты, обычно
используемой в разбавленном виде.
6.5.6.1.2 Фурфуран с кислотным катализатором
Эти связывающие составы, впервые использованные на литейных заводах в
1958 г., обычно используются для формовки и создания пустот в средних и больших
отливках, при малом и среднесерийном производстве и для всех типов сплавов. Для
стальных отливок используются только определенные типы составов, поскольку
могут возникать трещины, заусенцы или небольшие раковины. Процесс допускает
хорошую гибкость в применении и свойствах. Недостатком фурфурилового спирта
(FA) является то, что он является стратегическим продуктом, подверженным
изменениям рыночной цены. Связывающие составы на основе фурфурана
сравнимы с фенольными составами по своему механизму отвердевания, а
используемые кислотные катализаторы аналогичны для обоих процессов.
Некоторые примеры вставок, изготовленных с помощью фурфурана, показаны на
Рисунке 6.30.
55
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.30 - Стержни, изготовленные на основе фурфурана [6]
Добавление кислотного катализатора к смоле фурфурана вызывает
экзотермическую поликонденсацию, которая вызывает отвердение связывающего
состава. Смолы фурфурана поставляются с различными составами, все они
основаны на фурфуриловом спирте:
- смола фурфурана FA
- форм-мочевина - фурфуриловый спирт UF - FA
- фенол - формальдегид - фурфуриловый спирт PF - FA
- форм-мочевина - фенол - фурфуриловый спирт UF - PF - FA
- резолсинол - фурфуриловый спирт Р - FA
Почти всегда добавляется силан, чтобы увеличить связывающие свойства
комбинации песок-смола. Катализаторы представляют собой паратолуол, ксилол
или сульфо-бензол, иногда с добавлением серной или фосфорной кислоты, обычно
используемой в разбавленном виде. [13]
6.5.6.1.3 Полиуретан (фенол изоцианат)
Этот процесс используется в незначительной степени для формовки и создания
пустот, имеющих сужения, для стальных отливок, поскольку могут образовываться
трещины или раковины. Однако, этого можно избежать добавлением оксида железа
и высушивая литейные формы и стержни. В некоторых странах (например, в
Швеции) этот тип связывающих составов не используется в течение 25 лет, главным
образом из-за его влияния на производственные условия.
Этот процесс основан на реакции полиприсоединения между феноловой смолой
и изоцианатом (главным образом MDI), при использовании в качестве катализатора
пиридина; в результате изменяется структура полиуретана. Все элементы находятся
в растворе ароматического и/или полярного растворителя (то есть алифатического
растворителя) с высокой точкой кипения. Следует избегать соприкосновения с
водой, так как вода сильно взаимодействует с изоцианатом.
6.5.6.1.4 Резол – полиэфирная смола (щелочной сложный эфир фенола с
отвердителем)
Этот процесс используется для мало- и средне-серийного производства. Он
может использоваться для всех типов сплавов, но представляет особый интерес для
легких сплавов, из-за легкости выбивки отливок из формы. Отсутствие азота в
связывающих реагентах очень хорошо подходит для стальных отливок.
Смола представляет собой щелочной фенол резоловый раствор, который
взаимодействует с жидким сложным эфиром. Смола и сложный эфир образуют
неустойчивый комплекс, вызывая образование геля. Комплекс распадается и
вызывает поперечную полимеризацию смолы, создавая соль и алкоголь.
56
П-ООС 17.02-02-2012
В этом процессе скорость отвердевания не изменяется от скорости добавки
отвердителя, а изменяется в зависимости от его сорта. Время отвердевания может
изменяться от нескольких минут до более одного часа. Механические свойства сразу
после затвердевания довольно низкие, но улучшаются со временем.
6.5.6.1.5 Алкидная смола, необожжённая
Этот процесс используется главным образом для одиночных отливок или при
мало-серийном производстве на сталелитейных заводах. Он обеспечивает хорошую
чистоту поверхности и имеет хорошие свойства при изъятии отливок. Однако, он
дорог.
Модифицированная полиэфирная смола смешивается с изоцианатом, в
результате получается полиуретановая смола, которая медленно затвердевает.
Отвердевание литейной формы может быть ускорено с помощью катализатора и
завершается при нагреве до 150 ºC.
6.5.6.1.6 Силикат полиэфира
Этот процесс используется главным образом на сталелитейных заводах, при
изготовлении отливок среднего и большого размера при мелко- и средне-серийном
производстве. Он подобен процессу, использующему необожженную алкидную
смолу. Однако он имеет низкие свойства по выбивке отливок из форм и более
низкую механическую прочность, чем органически связанные смолы.
Процесс отвердевания состава силикат – полиэфир - песок имеет
промежуточную стадию, при которой происходит гидролиз полиэфира под действием
щелочного раствора силиката. В процессе гидролиза образуется глицерин и
уксусная кислота, которая осаждает силикат в виде геля, формируя тем самым
начальную связь. Дальнейшая прочность развивается по мере высыхания
остаточного силиката.
6.5.6.1.7 Цемент
Этот процесс используется только для отливок очень большого размера. Его
применение важно для решения общественных задач. Во время формовки или
создания стержней он не создает никаких проблем, связанных с охраной
окружающей среды.
6.5.6.2 Процессы, в которых отвердевание происходит под действием газа
В этих процессах отвердевание начинается при вводе катализатора или
отвердителя, имеющего газообразную форму. Скорость отвердевания может быть
очень высокой, что позволяет достигать высокой производительности. Они могут
использоваться для изготовления литейных форм и стержней ограниченного
размера при средне-серийном или массовом производстве. За последние несколько
лет их использование постоянно увеличивалось.
Химические процессы, на которых основаны многие из процессов, использующих
в качестве отвердителя газ, подобны процессам холодного отвердевания. Из-за
газообразной формы катализаторов иногда необходимо собирать и подвергать
дальнейшей обработке их выбросы.
6.5.6.2.1 Холодный стержневой ящик (амин в качестве отвердителя для
фенолуретана)
Этот процесс обычно используется для изготовления стержней, весом до 100 кг и
более, и для малых литейных форм и обеспечивает очень высокую чистоту
поверхности и хорошую точность размеров. Его характеристики по выбивке отливок
превосходны, а песок может быть легко восстановлен. Пример холодного
стержневого ящика показан на Рисунке 6.31.
57
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.31 - Холодный стержневой ящик [6]
Химия этого процесса, основанного на полиуретане, весьма подобна холодному
отвердеванию полиуретана, например: он включает фенольную смолу и изоцианат
(MDI). Только катализатор другой: - здесь используется третичный амин, например:
триэтиламин (TEA), диметилэтиламин (DMEA), диметилизопропилен (DMIA) или
диметилпропиламин (DMPA). Амин применяется в виде пара, используя сжатый
воздух, азот или CO2 в качестве газа - носителя. И смола и изоцианат находятся в
растворе ароматических или полярных растворителей, которые имеют высокие
точки кипения. Следует избегать соприкосновения с водой, поскольку она сильно
взаимодействует с изоцианатом и ослабляет связывающий состав.
Амин подается либо нагнетателем, в котором сопутствующий газ,
предпочтительно инертный, насыщается парами амина, либо с помощью инжектора,
который отмеряет только необходимое количество амина, требуемое для работы,
это количество переносится в песок сжатым воздухом или газообразным азотом.
Скорость подачи отвердителя изменяется от 1,0 до 2,0 %, в зависимости от веса
песка, при отношении смолы и изоцианата 50:50.
Амин служит только как катализатор и не используется в реакции. После
отвердевания он остается в песке литейной формы или в стержне и должен быть
удален. Время, затрачиваемое на продувку в 10 - 15 раз больше времени инжекции
амина.
Количество
амина,
требуемого
для
отвердевания,
составляет
приблизительно 0,05 % от веса песка, но обычно используется от 0,10 до 0,15 %.
В варианте процесса, называемого процессом ‘Cold-box Plus’, стержневой ящик
нагревается до 40 – 80ºC, используя циркулирующую горячую воду. Это позволяет
получить улучшенные механические свойства стержней, но требует больших
временных затрат. [13]
6.5.6.2.2 Резол – термореактивный фенол-формальдегидный полимер
Этот процесс является относительно новым. Его преимущества и недостатки
подобны аналогичным значениям для процесса холодного отвердевания, из
которого он и произошел. Поскольку его цена относительно высока, процесс
главным образом используется для создания стержней. Даже при том, что
задекларированы трудности в рециркуляции отработанной формовочной смеси, этот
процесс широко используется, главным образом из-за его свойств выбивки отливок
из форм; способность предотвращать растрескивание, образование прожилков и
раковин; и из-за его низких уровней запаха. Процесс может использоваться для всех
типов производства и сплавов, но главным образом он используется для легких и
супер легких сплавов (простота при выбивке отливок из форм) и сталей (малый риск
образования трещин).
Смола представляют собой термореактивный фенол-формальдегидный полимер
в щелочной форме, который взаимодействует с солью муравьиной кислоты и в
результате получается метанол и щелочная соль муравьиной кислоты. Фенольная
58
П-ООС 17.02-02-2012
смола осаждается в виде геля, который связывает все элементы состава вместе.
Дальнейшее образование поперечных связей при хранении приводит к еще более
высокой силе сцепления.
Соль муравьиной кислоты представляет собой жидкость при температуре
окружающей среды, точка кипения которой равна 32ºC, но она переходит в
газообразное состояние на воздухе, обычно нагретом до температуры 80ºC; который
также используется в качестве несущей среды процесса. Период газообразования
всегда сопровождается продувкой, целью которой является равномерное
распределение соли муравьиной кислоты по массе песка.
6.5.6.2.3 Смолы фурфурана, отвердитель SO2
Этот процесс больше не находится в широком использовании, хотя и подходит
для широкого применения в производстве литейных форм и стержней малых и
средних размеров при любом сплаве. Катализатор, содержащий серу, может
вызвать некоторые металлургические проблемы на поверхности отливок из
пластичного чугуна. Основными преимуществами, которые он имеет, являются
длительный срок службы готового песка, хорошие механические свойства и
характеристики выбивки отливок из форм и предотвращения растрескивания. Тем не
менее, его эффективное использование ограничено из-за высокой адгезии смолы и
из-за проблем использования диоксида серы в качестве упрочняющего элемента.
Этот процесс использует смолы фурфурана, которые содержат приблизительно
80 % фурфурилового спирта. Обе смолы полимеризируются в кислотных средах.
Эти смолы должны смешиваться с песком и с окисляющими реагентами, например, с
органическими перекисями или с перекисью водорода. При реакции между этими
перекисями и введенным диоксидом серы образуется серная кислота, которая
вызывает
быструю
полимеризацию.
Период
газообразования
всегда
сопровождается продувкой, целью которой является удаление излишка, не
вступившего во взаимодействие диоксида серы из песчаной массы. [1], [10]
6.5.6.2.4 Эпоксидная /акриловая смола (отвердевание свободного
радикала), отвердитель SO2
Этот процесс имеет много преимуществ: хорошая способность к прессованию;
длительный срок службы подготовленного песка (мешалки или долбежные головки
можно не очищать); хорошие механические свойства; отсутствие азота, фенола или
формальдегида; хорошие характеристики по выбивке отливок из форм и хорошая
стойкость к образованию трещин. Однако, высокая стоимость компонентов
связывающего состава все же является одним из основных недостатков.
Этот процесс характеризуется не типом смолы, а способом образования ее
поперечных связей, которое происходит с помощью свободных радикалов. Смола
должна содержать двойные углеродные связи: могут использоваться полиэфир акрил, полиэфир - уретан или полиэфир - эпоксидные смолы. Эти смолы обычно
имеют
небольшой
молекулярный
вес
и
разбавляются
органическими
растворителями почти на 50 % веса, хотя возможно использование и других типов
растворителей. Они смешиваются с органической перекисью, которая действует как
инициатор реакции. При отвердевании диоксид серы переносит инертный газ,
например, двуокись углерода или азот, через песок.
Период газообразования всегда сопровождается продувкой тем же самым
инертным газом, который использовался в качестве отвердителя, целью которой
является удаление излишка не вступившей во взаимодействие двуокиси серы из
песчаной массы.
6.5.6.2.5 Кремнекислый натрий (жидкое стекло), отвердитель CO2
Этот процесс дает реальные преимущества: он дешев, прост в работе и
экологически чистый. Также в части сохранения здоровья рабочих и безопасности
работы, эта методика имеет преимущества перед органическими связывающими
59
П-ООС 17.02-02-2012
составами. Его использование, однако, заметно снизилось по техническим
причинам, например, из-за слабого прессования и проблем с разрушением, низкой
механической прочностью, чувствительностью к растрескиванию, влажности и
неполной утилизации. Кроме того, использование жидкого стекла может привести к
увеличению затрат на очистку. Стержни достигают своей полной прочности только
после длительной просушки. Это снижает их применяемость в автоматизированных
процессах. Методика поэтому применяется главным образом на литейных заводах
мелкого масштаба.
Обычно
используемым
силикатом
является
кремнекислый
натрий,
характеризуемый своей концентрацией (содержание в сухом твердом состоянии), и
модулем (отношением кварца к углекислому натрию, SiO2/Na2O). Значение модуля
колеблется от 2,0 до 2,8, наиболее часто встречающееся значение 2,0 – 2,3. Этот
силикат смешивается с песком до концентрации 2 - 4 %. Обычно используются
добавки, обеспечивающие легкость выбивки отливок из формы, которые
предварительно перемешиваются с силикатом.
Отвердевание происходит под действием двуокиси углерода, благодаря ее
слегка кислотным свойствам. Концентрация CO2 не должно превышать 1 - 2 % от
массы песка, при времени отвердевания в диапазоне 10 - 60 секунд. Отвердевшие
литейные формы и стержни не требуют очистки. [21], [33]
6.5.6.2.6 Щелочной фенол (alkaline phenolic), отвердитель CO2
Впервые этот процесс был применен в 1989 г. и с тех пор подвергся
значительным усовершенствованиям. В настоящее время он коммерчески доступен
и применяется в нескольких местах, но его использование еще не получило
широкого распространения.
Смола представляет собой щелочной фенол, содержащий связывающую
субстанцию, стабилизированную при высоком значении pH, приблизительно 14.
Отвердевание происходит под действием газа с двуокисью углерода, который
растворяется в водном растворе смолы, таким образом, снижая ее pH и активизируя
отвердитель.
6.5.6.3 Процессы горячего отвердевания
В этих процессах отвердевание происходит при нагреве смеси смолы и песка
или, чаще всего, при контакте с горячей оснасткой модели. Они обеспечивают
высокую точность размеров, которая может быть достигнута только при
использовании высококачественных (металлических) моделей, которые могут быть
очень дорогими. Поэтому горячие процессы отвердевания используются для
производства стержней ограниченного размера, главным образом в процессах
массового производства. Их использование, очень широко распространенное в
течение многих лет, теперь находится на стадии упадка, поскольку эти процессы
заменяются процессами отвердевания под действием газа.
Горячие процессы отвердевания характеризуются большими выбросами: при
нагреве смолы и катализаторы испускают вредные химические продукты, включая
аммиак и формальдегид, который может быть источником сильного запаха. Чтобы
решить эти проблемы были испробованы многие методики, например, очистка,
сжигание или биодеструкция, но ни одна из этих методик не доказала свою
эффективность.
6.5.6.3.1 Горячий стержневой ящик, фенол и/или фурфуран
С помощью этого процесса можно изготавливать стержни с высокой точностью
размеров и хорошей механической прочностью, но чтобы этого достичь, операторам
необходима очень серьезная квалификация по предмету и управлению процессом
производства. Ограничения данного процесса определяются его стоимостью,
преимущественно
стоимостью
смолы,
энергозатратами
и
модельным
оборудованием, а также вредными условиями работы. В настоящее время он
60
П-ООС 17.02-02-2012
используется в производстве стержней малого или среднего размера в массовом
производстве.
Отвердитель для смолы и катализатор, активизирующийся под действием
температуры, предварительно перемешиваются с песком и смесь насыпается в
горячий стержневой ящик или модель, где она отвердевает в течение,
приблизительно, 5 - 60 секунд.
Можно использовать целый ряд смол, например:
- мочевина - формальдегид
UF
- мочевина - формальдегид - фурфуриловый спирт
UF - FA
- фенол - формальдегид
PF
- фенол - формальдегид - фурфуриловый спирт
PF - FA
- мочевина - формальдегид - фенол - формальдегид
UF - PF
- мочевина-формальдегид-фенол-формальдегид-фурфуриловый спирт
UF
- PF – FA.
Катализаторы представляют собой соли аммония минеральных кислот, иногда с
добавлением мочевины, чтобы уменьшить количество свободного формальдегида.
Кроме того используются и другие присадки, например, силаны, оксиды железа,
антикоагуляторы и силиконовое масло.
Добавка смолы изменяется от 1,2 до 3,0 %, в зависимости от веса песка, при
среднем значении, приблизительно 1,8 %. Добавка катализатора изменяется от 10
до 25 %, в зависимости от веса смолы, в большинстве составов она оптимизирована
и равна 20 %. Температура, чаше всего используемая для модели, колеблется от
230 ºC до 290 ºC, при оптимальном диапазоне 220 ºC - 250 ºC. Если в попытке
ускорить период отвердевания используется повышенная температура, то
поверхность стержня может быть перегрета, вследствие чего возможно образование
трещин во время заливки.
6.5.6.3.2 Теплый стержневой ящик
Этот процесс весьма подобен процессу с применением горячего стержневого
ящика и использует те же самые технологии. Отличается только типом смолы,
обеспечивающей отвердевание при более низкой температуре. Однако, этот тип
смолы значительно дороже, чем используемый в процессе с применением горячего
стержневого ящика. Поэтому процесс с применением теплого стержневого ящика,
несмотря на некоторые реальные преимущества, не получил широкого
распространения.
Отвердитель имеет в своей основе фурфуриловый спирт с обычным составом:
около 70 % фурфурилового спирта или изомеров фурфурилового спирта.
Катализатором являются медные соли, полученные из ароматических сульфокислот,
в растворе воды или спирта. Отличительной особенностью таких катализаторов
является их высокая устойчивость при комнатной температуре и их относительно
низкая температура диссоциации, которая составляет 150 - 170 ºC. Соответственно,
температура оснастки может поддерживаться в пределах 180 ºC, что приводит к
большой экономии энергии, приблизительно на 15 - 25 % , по сравнению с горячим
стержневым ящиком.
6.5.6.3.3 Оболочка (Кронинг-процесс)
Этот процесс отличается своей уникальностью среди всех способов формовки и
изготовления стержней, в которых используется песок с покрытием,
непосредственно поставляемый поставщиками и готовый к употреблению, хотя
грунтование песка также может быть выполнено и на литейном заводе.
Песок отвердевает с помощью нагрева в металлической модели, при этом
создается твердый поверхностный слой. Не нагретый или не затвердевший песок
может быть удален при переворачивании модели и в дальнейшем использован
61
П-ООС 17.02-02-2012
повторно. Отвердевший песок создает "оболочку", которая и дала название данному
процессу.
Этот процесс дает высокую точность размеров и хорошую чистоту поверхности
отливки, имеет хорошие свойства по выбивке отливок из формы и позволяет
неограниченно долго хранить грунтованный песок. Ограничением процесса является
цена обработанного песка и затраты на оборудование модели. Его использование
ограничено производством литейных форм и стержней малого и среднего размера
при массовом производстве. Примеры литейной формы и стержней показаны на
Рисунке 6.32.
Рисунок 6.32 - Стержни (вверху) и литейные формы (внизу) [6]
Смола, используемая для первого слоя (грунт) представляет собой фенол
"новолак"
(новолачная
фенолформальдегидная
смола),
с
отношением
формальдегида/фенола менее 1. В качестве отвердителя к смоле добавляется
гексаметилентетрамин. ‘Гекса’ разлагается при температуре 160ºC на 2 основных
компонента: формальдегид и аммиак. Когда загрунтованный песок вступает в
контакт с горячей моделью, гексаметилентетрамин разлагается, и образовавшиеся
поперечные связи с участием формальдегида соединяют компоненты смолы,
формируя характерную сильную связь.
6.5.6.3.4 Льняное масло
Этот древний процесс, вероятно, является самым старым процессом обработки
химически связанных песков. Он очень удобен в использовании, не нуждается в
сложных моделях и имеет хорошую стойкость к сжатию и растрескиванию. Он все
еще широко распространен в использовании для изготовления специализированных
небольших стержней.
62
П-ООС 17.02-02-2012
Песок связывается с помощью смеси быстровысыхающих масел, чаще всего это
широко распространенное льняное масло, часто с добавками декстрина и
нескольких процентов воды. Скорость подачи масла изменяется от 0,8 до 4 %, в
зависимости от веса песка. Для более быстрого высыхания могут добавляться
специальные реагенты. Отверждение происходит при образовании поперечных
связей ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в быстровысыхающих маслах,
вызванном кислородом воздуха и ускоренном путем нагрева в сушильной печи при
температуре от 190 до 260 ºC в течение 1 - 2 часов.
6.5.6.4 Покрытие химически связываемых песчаных литейных форм и
стержней
Мастерство литейщика состоит в том, чтобы изготовить высококачественные
отливки без дефектов и требующие только минимальной окончательной отделки и
ремонта. Чтобы достигнуть этого, в идеале требуется минимизировать все
взаимодействия, которые могут произойти между литейной формой, стержнем и
металлом во время заливки. Эффекты таких взаимодействий могут быть вызваны
различными причинами, например, расширением песка, дефектами трамбовки,
истиранием песка, пригаром, химическим разложением или взаимодействием между
связывающими компонентами и т.д.
По этим причинам часто бывает выгодно плакировать литейную форму или
стержень с помощью огнеупорной футеровки, чтобы получить высокую чистоту
поверхности отливки и снизить стоимость футеровки.
6.5.6.4.1 Состав покрытий
Покрытия поставляются в готовом к использованию виде или как масса, которую
требуется разбавить водой или спиртом. Обычно они содержат следующие
элементы:
- один или более огнеупорных заполнителей, например, тальк, пирофиллит,
слюда, циркон, магнезит, кварц, и т.д., или формовочную краску;
- жидкость-растворитель, в качестве которой может быть спирт (например,
изопропиловый спирт, этиловый спирт) или вода;
- высокотемпературные связующие реагенты, например, бентонит, смолы,
борная кислота;
- реологические реагенты, например, бентонит или синтетические полимеры;
- присадки, например, сурфактанты, пеногасители, фунгициды, и т.д.
6.5.6.4.2 Процесса нанесения покрытия
Покрытие может наносится на литейную форму или на стержень различными
методами:
- кистью - для малых стержней или при нанесении в конкретном месте;
- окунанием - при сложной форме стержня; этот процесс часто автоматизируется;
- распылением, обычно безвоздушным;
- с помощью полива - при большом или среднем размере литейной формы или
стержня.
Если используются покрытия, основанные на спиртах, то рабочее помещение
необходимо проветривать, чтобы предотвратить опасность воспламенения или
взрыва. Плакированные литейные формы и стержни чаще всего обжигаются, что
ограничивает выбросы. Если они не обожжены, то их сушка проводится в
специальных испарителях летучих органических соединений, где выбросы вредных
веществ находятся под контролем. Покрытие путем полива, с использованием
спиртосодержащих продуктов, и последующий обжиг или сушка представлены на
Рисунке 6.33.
63
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.33 - Нанесение покрытия путем полива, с использованием
спиртосодержащих продуктов, сопровождаемое обжигом или сушкой [6]
Сушка покрытий, основанных на применении воды, происходит путем нагрева в
сушильной печи, используя горячий воздух, инфракрасное излучение. Покрытие
путем окунания стержней и последующая сушка горячим воздухом представлена на
Рисунке 6.34. Покрытия, основанные на воде, не создают проблем, связанных с
загрязнением окружающей среды, ни во время нанесения покрытия, ни во время
сушки. По этой причине водные покрытия теперь все чаще и чаще заменяют
покрытия, основанные на спиртах.
Однако их применение имеет ограничения технического характера, а именно,
качество непрерывного покрытия и ограничения в процессе сушки. Всестороннее
обсуждение покрытий, основанных на водных растворах по сравнению со спиртами,
представлено в разделе 6.3.3.7. [34]
Рисунок 6.34 - Покрытие, наносимое путем окунания, основанное на
водном растворе, после чего следует сушка в печи в потоке горячего воздуха
[6]
6.5.7 Отливка с использованием одноразовой модели
При отливке с использованием одноразовой модели, модель не удаляется из
литейной формы перед заливкой. Модель, которая изготовлена из пористого
материала, является однократно используемой и разрушается при заливке. Такие
одноразовые модели могут вставляться либо в химически связанный песок, либо в
несвязанный песок, уплотненный с помощью вибрации.
Этот процесс, обычно называемый "Отливкой по одноразовой модели”, был
разработан 30 лет назад, и его коммерческое распространение с самого начала
было медленным. Однако, в течение последних 10 - 15 лет, его стали применять
намного чаще, прежде всего для массового производства автомобильных запасных
частей или подобных изделий, несмотря на значительные технологические
трудности.
6.5.7.1 Несвязанный песок – Процесс, использующий одноразовую форму
64
П-ООС 17.02-02-2012
Процесс, использующий одноразовую форму (Рисунок 6.35), начинается с
трехмерного проектирования (3D-CAD) и производства точно сформованной
пористой
модели,
изготовленной
из
пенополистирола
(EPS)
или
полиметилметакрилата (PMMA), путем автоматизированного машинного литья под
давлением. Эти модели могут быть изготовлены из одного куска или путем сборки из
нескольких частей с помощью клея. Обычно, число моделей, в зависимости от
размера, ограничено литниковой системой, изготовленной из того же самого
материала как и модель, таким образом создавая общую структуру.
Рисунок 6.35 - Процесс, использующий вспенивающийся материал (литье по
выплавляемым моделям) [13]
Модельные структуры окунают в водный раствор огнеупорного покрытия, при
этом создается барьер между расплавленным металлом и песком во время заливки.
После сушки структура помещается в опоку, которая заполняется несвязанным
песком. В песок может быть добавлена смола, имеющая низкую вязкость, чтобы
предотвратить деформацию во время прессования. Песок уплотняется путем
вибрации по трем направлениям, проникая через отверстия и воспроизводя в
точности все детали модели, таким образом, отпадает необходимость в стержнях и
в оборудовании для их изготовления. После заливки, расплавленный металл
вызывает пиролиз полистирола и заполняет освобождаемое пространство.
65
П-ООС 17.02-02-2012
Песок, главным образом кварцевый, должен быть очень проницаемым, чтобы
гарантировать удаление газов, возникающих при пиролизе. Используется песок с
AFS-номером 35 – 50. Прерывание процесса заливки может вызвать разрушение
песчаной литейной формы. Поэтому часто используется автоматизированная
система отливки.
Части отливки характеризуются очень хорошей точностью в размерах, как
показано на Рисунке 6.36. Эта методика может использоваться для любого типа
сплавов, и может применяться для средних и больших серий производства. Во
время формовки процесс не оказывает вредного влияния на окружающую среду, но
во время заливки и выбивки отливок из форм могут происходить выбросы газа,
обусловленные испарением одноразовых моделей. Литье, использующее
одноразовые формы, позволяет отливать сложные изделия, которые часто
невозможно изготовить другими методами. Процесс позволяет проектировщикам
разрабатывать более сложные формы изделий, снижать необходимость в
механической обработке и минимизировать сборочные операции. На каждом этапе
процесса
необходимо
осуществлять
соответствующий
контроль,
чтобы
гарантировать высокое качество отливки. Отсутствие всесторонних знаний
относительно необходимых мер контроля замедлило распространение процесса
отливки по выплавляемым моделям. [1], [13], [35]
Рисунок 6.36 - Одноразовая модель из полистирола (r), используемая в
процессе литья по моделям из пористого материала, и пример отливки,
изготовленной этим методом (l). [6]
6.5.7.2 Химически связанный песок – Использование полной литейной
формы
Литье по выплавляемым моделям также может использоваться для изготовления
единичных прототипов, таким образом, сокращая время на изготовление заказа.
Кроме того данный метод может использоваться для производства очень больших
деталей, например, станин для металлообрабатывающих станков, или прессов, и
т.д., при литье чугуна, стали или сплавов цветных металлов. Толщина стенки может
изменяться от 5 мм до 1000 мм. Используя этот метод, были отлиты детали весом
до 50 тонн. При производстве таких больших отливок необходимо использование
связывающих составов (фурфуран), чтобы достигнуть необходимой прочности
литейной формы.
Литье по выплавляемым моделям с использованием химически связанного
песка, в этом случае также называемое “процессом, использующим полную
литейную форму”, главным образом используется для изготовления отливок
среднего и большого размера в единичном или мелкосерийном производстве.
Модели изготавливаются из пористых материалов, имеющих низкую плотность,
например:
- белый пенополистирол, с плотностью 16 - 20 г/дм3
66
П-ООС 17.02-02-2012
- синий, пенополистирол, также называемый "poresta- blue", с плотностью 18 - 22
г/дм3
- пенный полиметилметакрилат, также называемый PMMA, с плотностью 25
г/дм3.
Из этих материалов вырезаются различные отдельные части, которые затем
собираются и склеиваются с помощью горячего клеевого состава, таким образом,
получается конечная форма отливки, также учитывающая все возможные ужатия
металла.
Собранная модель, с литниковой и питающей системой, должна быть
плакирована, главным образом с помощью покрытий, основанных на водном
растворе, и полностью высушена перед закладкой в песок. Необходимо тщательно
подобрать процесс связывания песка, чтобы избежать увлажнения модели перед
заливкой.
Этот процесс, в части относящейся к формовке, весьма безвреден для
окружающей среды, но производит газообразные выбросы во время заливки и
выбивки отливок из форм, вследствие испарения одноразовых моделей и
разрушения связывающего состава песка.
Как и для процесса, не использующего связывающие составы, очень важна
непрерывность заливки металла, чтобы предотвратить разрушение литейной
формы. При отливке больших деталей заливка металла выполняется с помощью
двух (или более) разливочных ковшей и двух (или более) отверстий для входа
металла.
Литье по выплавляемым моделям имеет следующие преимущества:
- высокая точность размеров;
- производство сложных по форме деталей, особенно имеющих внутренние
пустоты;
- объединение нескольких деталей в одну общую отливку;
- уменьшение количества или исключение плоскостей разъема;
- возможность тепловой регенерации песка.
Несмотря на то, что литье по выплавляемым моделям и метод использования
полной литейной формы известны в течение долгого времени, они широко не
применяются в Европе. Это, прежде всего, обусловлено тем, что их оптимизация
требует большого количества научных исследований. Основные сложности:
- определение номенклатуры изделий: определение, какие части могут быть
изготовлены более легко, по сравнению с традиционными методами;
- выбор методики прессования: применение песка для полного заполнения всех
пустот;
- выбор покрытия и типа песка: они должны иметь достаточную
газопроницаемость, допускающую выход выделяющихся газов.[13]
6.5.8 Подготовка постоянных (металлических) литейных форм
Постоянные литейные формы изготавливаются из металлических элементов,
изготовленных по форме отливки, после сборки которых можно проводить
формовку, заливку и выбивку отливок. Такие металлические формы используются
для литья под собственным весом, литья под высоким давлением, центробежного
литья, непрерывного литья и для литья под низким давлением. В отличие от
песчаных литейных форм, они могут использоваться многократно и по этой причине
их называют постоянными литейными формами.
Если форма отливки не может быть легко изготовлена при помощи
металлических литейных стержней, можно использовать песчаные стержни.
Например, песчаные стержни используются для формирования расширительных
полостей труб для центробежного литья.
67
П-ООС 17.02-02-2012
Постоянные литейные формы в основном покрываются "белой или черной
краской"; эти реагенты, представляют собой огнеупорный состав - в случае белого
цвета, и содержат графит - для черного цвета. Их функцией является обеспечение
защиты кокиля, регулировка охлаждения кокиля путем испарения воды и смазка.
Они также действуют как разделительные составы.
В некоторых случаях чернение может быть сделано с помощью ацетиленовой
горелки в отсутствии воздуха, ацетилен при сгорании образует сажу, которая
частично осаждается на кокиле. Не осажденная сажа затем должна быть собрана и
отфильтрована перед утилизацией.
Постоянные литейные формы (или кокили) обычно не изготавливаются на
литейном заводе, хотя на них все же имеются участки для сборки, обслуживания и
ремонта кокилей. Этот тип операций, не создает экологических проблем.
6.5.9 Прецизионное литье и керамическая оболочка
Этот процесс используется для изготовления высокоточного литья.
Этапы процесса представлены на Рисунке 6.37. Он начинается с изготовления
одноразовых восковых моделей, путем подачи расплавленного воска в
алюминиевый или эпоксидный кокиль для формовки модели, которая является
фактически точным дубликатом желаемой отливки. Воск может содержать
наполнители. Для более малых отливок, несколько восковых моделей
присоединяются к литниковой системе подачи воска. Для облегчения выемки
восковых моделей используются растворимые в воде реагенты.
Восковые модели очищаются с помощью водного или органического
растворителя и покрываются смачивающим реагентом, который способствует
осаждению керамической суспензии на воск. Модельная структура затем опускается
в жидкую суспензию, на ней осаждаются гранулированный оксид кремния,
цирконовый или алюминиево/кварцевый огнеупорный состав, и затем высушивается
перед наложением следующего покрытия. Процесс покрытия продолжается пока не
будет нанесена достаточно толстая оболочка.
Высушенная литейная форма затем депарафинизируется в паровом автоклаве, в
котором восковые модели выплавляются, или в "огневой печи", в которой воск может
частично выгореть.
После этого оболочка обжигается в печи при высокой температуре. При этом
сжигается остаточный воск и обжигается керамика, - остается лишь одна
керамическая оболочечная форма, в которую заливается расплавленный металл,
чтобы сформировать отливку.
68
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.37 - Процесс прецизионного литья [13]
В этом процессе может произойти загрязнение окружающей среды во время двух
операций: покрытие и депарафинизация.
Покрытие
Жидкая керамическая суспензия содержит связывающий состав и очень чистый
огнеупорный порошок, который выпадает в шлам при отсутствии постоянного
перемешивания. Связывающим составом может быть коллоидный кремнезём,
гидролизный этоксисиликат или гидролизный кремнекислый натрий,- выбор
используемой технологии определяется технологическими требованиями. При
использовании этилового силиката, сушка проходит быстрее, что ускоряет процесс,
но выделяются пары этилового спирта. Эти пары, если они присутствуют в слишком
большом количестве, должны быть собраны и обработаны подачей в вентиляцию.
Депарафинизация и обжиг
Депарафинизация с помощью парового автоклава не требует значительного
наличия воздуха. Однако, ситуация может измениться, если депарафинизация
проводится в печи с открытым пламенем, и во время обжига оболочки, когда
сжигаются остатки воска.
69
П-ООС 17.02-02-2012
Это горение часто происходит при недостатке воздуха, что приводит к
формированию частиц угольной сажи. Эти частицы должны быть собраны и, либо
уничтожены путем дожигания, либо удалены. С этой целью успешно используются
керамические фильтры, так как они выдерживают высокую температуру отходящих
газов, но эта очень новая технология еще не получила широкого распространения.
Эта методика используется, например, для точного литья и для художественной
отливки. Обычно она не применяется на крупномасштабных литейных заводах (с
загрузкой более 20 тонн/день), и поэтому упоминается здесь только для
информации.
Процесс образования керамической оболочки (запатентованный как Replicast®)
увеличивает качество и точность прецизионного литья для больших элементов,
использующего комбинацию принципов литья по выплавляемым моделям и
прецизионного литья. В этом методе используется инертная, обожженная
керамическая литейная форма. Чтобы создать литейную форму, создается
пенополистироловая копия заданной детали, которая имеет точные размеры и
высокую чистоту поверхности. Не требуются никаких поверхностей разъема или
стержней, ни углов уклона, а полистироловые копии могут быть склеены вместе, для
создания сложных конфигураций. Полистирол выжигается перед заливкой металла,
позволяя использовать для заливки в литейную форму широкий ассортимент
сплавов - от нержавеющей стали со сверх низким содержанием углерода, до
сплавов на основе никеля. Этим он отличается от процессов с использованием
выплавляемой модели, где жидкий металл затекает и замещает полистироловую
модель, делая их непригодными для огромного большинства стальных элементов (в
полистироле 92 % (весовых) углерода). [36]
6.6 Отливка
Заливка представляет собой основную работу при производстве отливок.
Подготовленная литейная форма заполняется жидким металлом под действием сил
тяжести или центробежных сил, или давления. После заливки, отливка охлаждается
до отвердения и затем выбивается из литейной формы для дальнейшего
охлаждения и обработки. [1]
6.6.1 Заливка в одноразовые литейные формы
6.6.1.1 Заливка
Существует два типа ковшей, обычно используемых при заливке жидкого
металла: со сливным носком и чайникового типа. Третий тип (то есть подовый ковш)
чаще используется для разлива сталей.
- Ковш со сливным носком: В этом типе ковша (Рисунок 6.38) металл перетекает
по сливному носку, причем поток контролируется наклоном ковша, используя
специальный маховик. Так как металл вытекает из вершины ковша, поверхность
металла должна быть без шлаков, или должен использоваться шлакоотделитель,
чтобы предотвратить попадание шлака в литейную форму. Ковши со сливным
носком используются для отливки небольших стальных деталей.
70
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.38 - Ковш со сливным носком для заливки расплавленного металла [6]
Ковши чайникового типа: Как изображено на Рисунке 6.39, огнеупорная
перегородка, расположенная перед носком ковша, гарантирует, что металл будет
подаваться из нижней части ковша, так что поток металла будет свободный от
шлака. В этом случае расплавленный металл обычно будет чище, чем из ковша со
сливным носком. Одним из недостатков является то, что узкий выход иногда может
способствовать застыванию жидкой стали при падении температуры или если
заливка продолжается после перерыва.
Рисунок 6.39 - Ковш чайникового типа для заливки расплавленного металла [6]
Подовые ковши: Ковш оснащен сливным отверстием, расположенным в его
основании, закрытым огнеупорным стопорным стержнем. Металл подается со дна
ковша и поэтому не содержит шлаков и неметаллических включений, например,
продуктов раскисления, способных плавать в расплаве. Поток металла направлен
вниз, так, что во время заливки отсутствует смещение потока. Недостатком является
то, что скорость потока изменяется во время заливки по мере изменения напора.
Рисунок 6.40 - Подовый ковш для заливки расплавленного металла [6]
71
П-ООС 17.02-02-2012
Автоматизированные литейные линии часто оборудуются печью для заливки.
Принципы работы одной из печей представлены на Рисунке 6.41. Линия заливки
останавливается, когда литейная форма находится в точном положении, то есть под
выходом металла. Металл заливается в течение фиксированного времени, путем
подъема стопора. Так как уровень металла в приемнике отливки держится
постоянным, в литейную форму заливается фиксированный объем расплавленного
металла. Уровень металла в печи контролируется с помощью плавающего датчика,
который управляет давлением газа в печи. Разливная печь отливки заполняется
металлом из плавильной печи через фиксированные промежутки времени. [13], [28]
Рисунок 6.41 - Заливная печь [13]
6.6.1.2 Затвердевание (1-ое охлаждение)
Залитые литейные формы переносятся вдоль линии формовки на линию
охлаждения. Длина линии охлаждения определяет конечную температуру отливки в
точке выбивки отливок из форм. Эта температура должна быть достаточно низкой,
чтобы обеспечить отливке достаточную прочность во время выбивки из форм и
дальнейшей обработки.
Большие литейные формы не перемещаются во время охлаждения. Время
охлаждения может достигать нескольких дней. [13]
6.6.1.3 Выбивка отливок из форм
В случае отдельной формовки, глина или химически связываемые литейные
формы обычно могут быть разрушены с помощью вибрации. В большинстве случаев
это достигается путем размещения опоки на вибрирующей решетке, используя для
этого кран. В результате вибрации песок отделяется от отливки и опоки. Отливка и
опока остаются на решетке, а песок просыпается через нее и впоследствии его
можно подвергнуть переработке. Отливка обычно транспортируется в зону
остывания для дальнейшего охлаждения на открытом воздухе (вторичное
охлаждение).
72
П-ООС 17.02-02-2012
Во многих системах литья в песчаные формы отливка выпрессовывается из
опоки и последующее контролируемое охлаждение отливок и песка осуществляется
в комбинированных или отдельных охладительных системах, например, в
охлаждающих барабанах, поворотных трубах, цепных конвейерах, холодильниках с
кипящим слоем и т.д.
Рисунок 6.42 - Выбивка отливок из форм в конце автоматизированной
линии формовки [6]
Вакуумные литейные формы разрушаются при снятии вакуума. Разливочный
ковш или опока, содержащие использованный песок и отливку, опорожняются и
затем отливка охлаждается с помощью одного из описанных методов. [1]
6.6.1.4 Охлаждение отливки (2-ое охлаждение)
Контролируемое охлаждение отливок и песка осуществляется во вращающихся
барабанах, поворотных трубах или на передающем конвейере. Отливка
охлаждается на передающем конвейере или в корзинах монорельсового конвейера.
Во многих случаях для охлаждения используется воздушный поток, который часто
направляется в противоположном движению отливки направлении. В некоторых
случаях используются водные форсунки, чтобы усилить результат охлаждения.
6.6.2 Заливка в постоянные литейные формы
6.6.2.1 Свободная заливка в форму и заливка под низким давлением
При свободной заливке в форму и литье под низким давлением используется
постоянный стальной кокиль, в который заливается расплав под действием силы
тяжести или газа под низким давлением. Для формовки в отливке канавок и сложных
внутренних форм могут использоваться песчаные стержни. Благодаря быстрому
процессу затвердевания, отливки, полученные при использовании постоянной
литейной формы, имеют плотную мелкозернистую структуру с хорошими
прочностными характеристиками.
Принцип литья в кокиль под низким давлением представлен на Рисунке 6.43.
Металлический кокиль устанавливается над закрытой печью, содержащей
расплавленный металл. Футерованная труба вертикальной подачи направлена от
нижней части кокиля к расплавленному металлу. При подаче в печь воздуха под
низким давлением (15 – 100 кПа), расплавленный металл поднимается по трубе и
перетекает в полость кокиля без завихрений; воздух из кокиля выходит через
вентиляционные отверстия и плоскости разъема кокиля. При затвердевании
металла, давление воздуха падает, позволяя оставшемуся расплавленному металлу
в трубе вертикальной подачи опуститься назад в печь. По истечении последующего
периода охлаждения, кокиль открывается и отливка извлекается. Благодаря
отсутствию загрузочных устройств и подъемных механизмов, производительность
при литье исключительно высока, в основном более 90 %. Возможно получение
хорошей точности размеров и чистоты поверхности, и сложные отливки можно
73
П-ООС 17.02-02-2012
изготавливать, используя песчаные стержни. Эта методика обычно используется
для алюминиевого литья, например, для отливки автомобильных частей, например,
дисков колес, головок цилиндров и корпусов электродвигателей, и для домашней
кухонной посуды. Кокиль должен быть плакирован для получения оптимальных
характеристик при выбивке отливок и их охлаждения. Обычно, покрытие кокиля
восстанавливается один раз в смену. Долговечность кокиля обычно составляет,
приблизительно, 30000 – 50000 отливок. Пример установки для литья в кокиль под
низким давлением представлен на Рисунке 6.44.
Рисунок 6.43 - Принцип действия установки для литья в кокиль под низким
давлением [4]
Рисунок 6.44 - Установка для литья в кокиль под низким давлением [6]
При свободном литье в кокиль, расплавленный металл заливается под
действием силы тяжести в постоянную литейную форму или кокиль. Установки для
свободного литья в кокиль изменяются от простой ручной стойки с шестеренчатым
приводом кокиля с ручной заливкой металла, до карусельных систем, обычно
имеющих механизм опрокидывания/наклона для заливки кокиля и, которые часто
функционируют, используя роботизированные системы заливки.
74
П-ООС 17.02-02-2012
Кокили плакируются огнеупорным покрытием, контролирующими скорость
охлаждения. Период времени, по истечении которого отливка может быть извлечена
из кокиля, изменяется от 4 до 10 минут в зависимости от типа отливки. Процесс
поэтому является относительно медленным по сравнению с литьем под давлением.
Чтобы достигнуть разумных норм выработки, оператор должен последовательно
использовать 2 – 4 кокиля, получая выход 30 – 60 отливок в час. Автоматические
установки карусельного типа могут иметь 4 – 6 мест с несколькими установленными
кокилями, что позволяет достичь производительности около 1 отливки в минуту.
Процесс наиболее широко используется при литье алюминия в серийном
производстве от 1000 до 100000 деталей ежегодно, например, для изготовления
головок цилиндров, водяных насосов и коллекторов.
Покрытия на постоянную литейную форму обычно наносятся, используя воду в
качестве несущего потока, высокотемпературный связывающий состав (обычно
кремнекислый натрий) и огнеупорный наполнитель или смесь наполнителей.
Существует две категории покрытий:
- изолирующее: содержит смесь изолирующих материалов, например, тальк,
слюду, диатомит, двуокись титана, окись алюминия и т.д.
- смазывающее: основанное на коллоидном графите, способствующее выбивке
отливок.
Покрытия обычно наносятся на кокиль путем распыления. Особое внимание при
подготовке кокиля, нанесении его покрытия и выборе типа используемого
оборудования для нанесения покрытий, может дать существенный прирост качества
и производительности. [4]
6.6.2.2 Литье в кокиль под высоким давлением
Термин "литье в кокиль" часто подразумевает “литье в кокиль под высоким
давлением”. Процесс использует стационарный кокиль (металлическую форму), в
который под высоким давлением заливается расплавленный металл. Применение
высокого давления вызывает интенсивный и турбулентный поток металла, который
позволяет изготавливать отливки с большой площадью поверхности и тонкими
стенками. Кокили обычно состоят из двух отдельных стальных блоков, каждый из
которых содержит пустоты. Эти блоки плотно прижимаются друг к другу во время
заливки металла. Из-за высокого давления поступающего металла, максимальный
размер отливки ограничивается максимальной силой сжатия половинок формы. Для
формирования внутренних поверхностей используются убирающиеся и съемные
стержни. Из-за высокого давления поступающего металла можно использовать
только металлические стержни. Это ограничивает степень сложности отливок.
Металл поддерживается под давлением до его охлаждения и затвердевания.
Половинки кокиля затем раскрываются и отливка удаляется обычно с помощью
автоматических выталкивателей. Перед использованием кокили предварительно
подогреваются и смазываются, и, для установки желаемого температурного режима
работы, охлаждаются либо воздухом, либо водой. Используются два основных типа
установок для литья в кокиль под высоким давлением (HPDC): горячая камера или
холодная камера (Рисунок 6.45).
75
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.45 - Установки с холодной и горячей камерой для литья в кокиль под
высоким давлением [5]
Горячо-камерные установки HPDC содержат резервуар для расплавленного
металла, кокиль и систему подачи металла, которая автоматически забирает
расплавленный металл из резервуара и подает его под давлением в кокиль.
Стальной поршень и цилиндр используются для создания необходимого давления
внутри кокиля. Система с S-образной трубкой используется для подачи
расплавленного металла из резервуара в кокиль. Давление может изменяться от
нескольких бар до более 350 бар.
Холодно-камерные установки HPDC содержат резервуары расплавленного
металла, расположенные отдельные от разливочной системы. Количество металла,
достаточное для одной отливки, забирается вручную или механическим способом в
небольшую камеру, из которой металл подается в кокиль под высоким давлением.
Давление создается с помощью гидравлической системы, связанной с поршнем, и
обычно составляет от нескольких сотен бар до 700 бар. В установках с холодной
камерой температура металла несколько выше точки плавления. Так как металл
находится в контакте с поршнем и цилиндром только в течение короткого
промежутка времени, процесс главным образом используется для алюминиевых
сплавов и, в меньшей степени, для латуней и бронз.
Соответствующая смазка кокилей и плунжеров является основой для успешного
процесса литья под высоким давлением. Смазка кокиля влияет на качество отливки,
ее плотность и чистоту поверхности, легкость заполнения пустот и легкость
выбивания отливок. Соответствующая смазка также может ускорить процесс
разливки, понизить требования к обслуживанию и снизить требования к материалу
рабочей поверхности кокиля. Хотя специальные смазочные составы и являются
запатентованными, обычно они (также называемые реагентами разъединения)
представляют собой смесь смазки и носителя. Составы также могут содержать
присадки, которые предотвращают коррозию, увеличивают стойкость во время
хранения и противостоят бактериальному разрушению. Смазочные материалы
обычно представляют собой минеральные масла и воск, растворенные в водных
эмульсиях. Все чаще используются силиконовые масла и синтетический воск. В
настоящее время используются как смазочные материалы, основанные на водных
76
П-ООС 17.02-02-2012
растворах, так и основанные на растворителе. Смазочные материалы, основанные
на водных растворах, однако, доминируют на рынке (95 %). Смазка наносится на
поверхность кокиля путем распыления между каждой заливкой. Используются
разбавленные смазочные растворы (в отношении реагент : вода - 1:20 – 1:200,). В
настоящее время расширяется использование дополнительных электростатических
порошковых покрытий.
Литье под высоким давлением не применяется для литья стали и
высокотемпературных сплавов. Эта технология широко распространена при литье
алюминия. Кокили дороги, но могут иметь срок службы до 150000 отливок. Поэтому
процесс более пригоден для крупносерийных производств. Одно из основных
преимуществ HPDC по отношению к другим способам литья состоит в том, что у
произведенной отливки могут быть очень сложные формы. Возможность отливать
детали сложной формы часто позволяет изготавливать деталь с помощью одной
отливки, вместо отливки ее из нескольких частей и последующей сборки. Это
помогает весьма снизить затраты на отливку, а также затраты, связанные с
изготовлением и механической обработкой. Кроме того, технология HPDC позволяет
производить отливки, которые имеют более высокую степень точности размеров и
формы поверхности по сравнению с другими способами литья, что способствует
снижению или устранению дорогостоящих технологических стадий. Наконец,
используя технологию HPDC, можно изготавливать отливки с относительно тонкими
стенками. Это может привести к существенному сокращению материальных затрат и
к снижению веса деталей.
В реальном процессе HPDC получается относительно мало отходов по
сравнению с другими процессами металлического литья. Однако, во время разлива
металла происходят выбросы газа и дыма. Газообразные выбросы могут
проистекать: непосредственно из расплавленного металла; при выделении
химических продуктов из смазочных материалов, когда они распыляются на
поверхность горячего металлического кокиля, и при контакте с расплавленным
металлом. Выбросы в воду могут произойти при любой утечке либо гидравлического
масла, либо горячего масла, и из охлаждающей воды. [3]-[5], [37]
6.6.2.3 Центробежное литье
При центробежном литье во время разлива металла постоянная литейная форма
вращается в высокой скоростью вокруг своей оси. Скорость вращения и скорость
разлива металла меняются в зависимости от размера и формы отливки. Ось
вращения обычно расположена горизонтально или под небольшим углом (Рисунок
6.46). В некоторых специальных установках применяется вращение вокруг
вертикальной оси. В результате отливка имеет очень плотную структуру и свойства,
которые не могут быть получены при литье в песчаные формы.
Эта методика используется для изготовления цилиндрических изделий из чугуна,
стали и алюминиевых сплавов, а также из сплавов меди. Примером деталей,
изготовленных с помощью этой технологии, являются трубы, бойлеры, сосуды
высокого давления, маховики, цилиндрические оболочки и другие детали,
симметричные относительно оси вращения. [31]
77
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.46 - Схема установки для центробежного литья [31]
6.6.2.4 Непрерывное литье
Непрерывное литье представляет собой высокопроизводительную технологию
для производства прутков, труб и профилей, с использованием которой путем
быстрого охлаждения получается мелкозернистый материал с хорошими
механическими свойствами. При непрерывном литье расплавленный металл
подается в охлаждаемую водой форму, которая открыта в нижней или боковой
части. Форма придает изделию желаемую форму. Благодаря интенсивному
охлаждению, наружная поверхность металлического изделия затвердевает, когда
оно медленно выходит из литейной формы. Благодаря непрерывной заливке
металла и выходу изделия из литейной формы, оно получается очень длинным.
Газовый резак отрезает изделие как только оно достигает желаемой длины. Эта
технология используется для литья как черных, так и цветных металлов. Процесс
используется для отливки прутков, плит и листов как конечный этап в производстве
литья из стали, чугуна и цветных металлов. Его использование в этом контексте
описано в Справочниках по наилучшим доступным технологиям (BREF) для
промышленности по изготовлению изделий из цветных металлов [20] и в BREF по
производству чугуна и стали [38].
78
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 6.47 - Схема установки для непрерывного литья, используемой
для непрерывной разливки металла [31]
6.7 Операции конечной обработки и обработки после отливки
Окончательная обработка сырых отливок включает в себя все необходимые
требования к получению готового изделия. В соответствие с процессом, могут
потребоваться различные стадии подготовки, например:
- удаление литников;
- удаление остаточной формовочной смеси с поверхности и стержней в полостях
отливки;
- удаление проливных облоев;
- ремонт дефектов отливки;
- подготовка отливки для последующей механической обработки, сборка,
термообработка, покрытие и т.д.
Однако эти действия не обсуждаются в этом документе. Технологии обработки
поверхности и нанесения покрытия обсуждаются в документах СНДТ, касающихся
Поверхностной обработки металлов (STM BREF) и Обработки поверхности, с
использованием растворителей (STS BREF). [3], [13]
6.7.1 Удаление литниковой системы
При конечной обработке сырых отливок и для удаления литниковой системы
(Рисунок 6.48), могут потребоваться следующие операции:
- Сбивка, прессование. В случае хрупких материалов, например, отливка из
серого литейного чугуна и белого ковкого чугуна, выступы и питатели обычно просто
сбиваются. Для этих целей все чаще и чаще используется гидравлическое
оборудование;
- Шлифовка с помощью шлифовальных кругов. Они могут быть ручными,
полуавтоматическими или автоматическими;
79
П-ООС 17.02-02-2012
- Обрезание. Для удаления массивных частей углеродистой или
низколегированной стали используется кислородно-ацетиленовый резак. Для
литейного чугуна или высоколегированной стали используются кислородноацетиленовый порошковый резак или кислородно-пропановый порошковый резак;
- Распиливание. Материалы, которые чувствительны к нагреву, например,
алюминиевые сплавы, обычно распиливаются.
Рисунок 6.48 - Отливка с подающей и литниковой системой [6]
При хорошо спроектированных соединительных точках, система подачи может
даже обломаться во время выбивки отливок из форм. В основном это происходит
для серого чугуна. [1], [7]
6.7.2 Удаление песка
Удаление песка осуществляется в специальной обдувочной камере. Среда дутья
приспособлена к обрабатываемому материалу и может изменяться от пескоструйной
очистки до очистки стеклянными или полистироловыми шариками. Очистка
плоскостей модели и постоянных форм выполняется с помощью очистки
стеклянными или полистироловыми шариками, алюминиевой дробью или дробью в
среде CO2. Пример отливки до и после продувки представлен на Рисунке 6.49.
Рисунок 6.49 - Отливка до (l., m.) и после (r.) удаления песка путем обдува [6]
Существуют различные методики обдува. Ускорение дроби осуществляется с
помощью сжатого воздуха или лопатками турбины. Обработка выполняется в
закрытом помещении, с уплотненными дверями.
Отливки подвешивается на монорельсовом транспортере и перемещаются
партиями через обдувочную камеру. Для более малых деталей используется
специальный ленточный транспортер. Большие отливки обдуваются вручную,
используя шланг с наконечником в закрытой кабине. В этом случае очень важно
помнить о мерах по обеспечению безопасности. Необходимо использовать шлем с
противопылевой маской и дыхательное оборудование.
80
П-ООС 17.02-02-2012
Грубая пыль (песок и частички металла), которая образуется при обдуве
обрабатываемой детали, собирается вместе с дробью. Она очищается магнитной
сепарацией, разделяется и просеивается. Мелкая фракция удаляется в выходящем
воздухе вместе с грубой фракцией, используя рукавный фильтр. Очистка дроби
перед повторным использованием имеет большое значение, так как наличие песка
может вызвать быстрый износ рассеивающих лопаток.
6.7.3 Удаление облоев
Облои, которые образуются в точке соединения литейной формы и участков
стержней, в пазах и в других неровностях поверхности, удаляются с помощью
шлифовальных кругов и шлифовальных камней. Шлифовальными кругами можно
пользоваться вручную, в то время как при использовании шлифовальных камней
отливка должна быть зажата.
Другие используемые методы включают:
- Шлифование. Облои и другие небольшие выступы на поверхности отливки
могут быть удалены без применения ручной шлифовки. Отливки помещаются во
вращающийся барабан или подаются на вибро-контейнеры вместе с абразивным
материалом, где происходит их соударение друг с другом и с абразивом. В обычном
модуле отливка прошлифовывается, используя постель из пирамидальных
шлифовальных камней вместе с добавкой водной мыльной эмульсии.
Шероховатость и размер шлифовальных камней могут изменяться в зависимости от
размера отливки;
- Очистка в барабане. Эта методика, также называемая продувкой,
используется для удаления тонких облоев или небольших частей отливки. Во время
этого процесса облои удаляются в процессе пескоструйной очистки без подачи
воздуха в результате соударения деталей друг о друга при их нахождении во
вращающемся барабане. Одновременно с этим закругляются края отливок. Иногда
для улучшения процесса добавляется жидкость.
Рисунок 6.50 - Облои (l). и их удаление с использованием шлифовального камня
(m) и обработки шариками (r). [6]
Автоматизировать эти операции довольно трудно из-за разнообразной формы
облоев и необходимости быстрого и простого закрепления отливки. Тем не менее, в
серийном производстве все чаще и чаще используются автоматические
шлифовальные станки. Части сырой отливки подаются в такие станки и им
придается соответствующая рабочая форма, которая не нуждается в обработке или
дальнейшем ручном шлифовании.
Кроме того, на автоматизированных линиях применяются следующие методики:
- Штамповка. Благодаря использованию технологий резания и штамповки,
серийные детали отливки часто проектируются таким образом, чтобы неизбежные
места образования облоя находились в предварительно определенных
легкодоступных для процесса обработки местах. Если серия достаточно большая,
81
П-ООС 17.02-02-2012
может быть спроектирован соответствующий штамповочный инструмент,
используемый для быстрого удаления облоя и придания отливке необходимой
конфигурации;
- Фрезеровка. С разработкой электронного управления для обрабатывающих
станков стало гораздо легче создавать программы, позволяющие обрабатывать
отдельные детали отливок. Таким образом появилась возможность использования
фрезерных станков для небольших серий вместо штампов с их одноцелевым
инструментом. Во время такого процесса обрабатываемые детали захватываются
устройством и проходят через целый ряд различных фрезерных станков.
Наконец, для соединения отдельных отливок, а так же для производства и
ремонта дефектов литья может использоваться сварка. В большинстве таких
случаев используется дуговая сварка. В зависимости от требований и оборудования
работа выполняется либо с помощью ручной электросварки электродом, либо с
помощью сварочной проволоки с использованием или без использования инертного
газа. Газопламенная обработка используется для стальных отливок, с помощью
которой выполняются бороздки для снятия напряжений. При этом используется
газовый резак с покрытыми медью электродами. [1], [7], [13]
6.8 Термобработка
6.8.1 Введение
Для отливок из черных металлов существует в основном два вида
термообработки: отжиг и упрочнение. При отжиге уменьшаются напряжения,
появившиеся в обрабатываемой детали при заливке и последующем охлаждении
отливки, кроме того, выравнивается структура. В случае упрочнения уровень
температуры превышает уровень температуры фазового перехода, после чего
обрабатываемая деталь быстро охлаждается с помощью процесса, известного как
закалка. Это вызывает изменение свойства материала. Можно получить различные
результаты при использовании воды, масла или закалки на воздухе. ‘Закалка и
отпуск’ определяют название технологии, при которой обрабатываемая деталь
повторно нагревается до температуры отпуска после закалки, и процедура закалки
повторяется.
Придание чугуну ковкости представляет собой вид термообработки, который
отличается от отжига и закалки. В этом случае пластичная необработанная отливка
преобразовывается либо в белый, либо в черный чугун в зависимости от типа
процедуры.
Многие отливки из цветных металлов используются при 'отлитых' условиях, но
конкретные применения требуют более высоких механических свойств, чем свойства
'отлитого' материала. Возможными видами обработки являются отжиг,
контролируемое охлаждение, термообработка для перевода компонента в твердый
раствор, искусственное старение и обработка осаждением. [1], [4]
6.8.2 Печи для термообработки
6.8.2.1 Камерные печи
Камерные печи имеют наиболее общую конструкцию. Для их реального
проектирования используются многие подвиды, отвечающие потребностям
различных видов термообработки самых разнообразных отливок и производств.
Некоторыми примерами камерных печей являются печи с выдвижным подом,
колпаковые печи, и т.д. Камерная печь с непрерывно двигающимся конвейером
называется туннельной печью. Нагревание обеспечивается либо с помощью
электроэнергии, либо с помощью газа или жидкого топлива.
Для цветных металлов выполняются некоторые виды термообработки при
температуре близкой к точке плавления отливки, таким образом необходимо точное
регулирование температуры. Чтобы гарантировать, что температура во всех частях
82
П-ООС 17.02-02-2012
печи будет постоянна и равна заданной, используется принудительная циркуляция
воздуха. [1], [4]
6.8.2.2 Шахтные печи
Трубы и подобные элементы часто подвергаются обработке при их установке в
вертикальном положении в шахтных печах. В шахтных печах нагревание
обеспечивается с помощью электроэнергии, газа или с помощью жидкого топлива.
6.8.2.3 Печи для отжига
Камерные, колпаковые или туннельные печи используются для отпуска
необработанных отливок. Нагревание таких печей обеспечивается с помощью
электроэнергии, газа или с помощью жидкого топлива.
6.8.3 Закалка
В процессах термообработки, отбеливание представляет собой охлаждение
обрабатываемой детали с большей скоростью, чем на открытом воздухе. Это может
быть достигнуто посредством быстрого погружения в воду или масло (Рисунок 6.51),
а так же путем принудительного охлаждения струей воздуха. Необходимо следить за
постоянством скорости охлаждения обрабатываемой детали. При погружении в
жидкости, необходимо перемещать деталь или непрерывно перемешивать жидкость,
чтобы гарантировать полное и равномерное охлаждение всех участков
обрабатываемой детали. Подобный принцип следует использовать и при закалке на
воздухе, обдув должен затрагивать всю поверхность детали.
Рисунок 6.51 - Закалка горячей отливки сразу после термообработки [6]
6.8.4 Термообработка пластичного чугуна (SG –чугун (чугун со
сфероидальным графитом)
Желательно достигнуть заданных свойств металла детали в 'отлитой форме',
чтобы сократить потребность в дальнейшей обработке, но это не всегда возможно
из-за изменений толщины участков отливки и т.д. Термообработка отливки
способствует устранению карбидов в тонких участках, созданию более плотных
кристаллических структур и для данной структуры часто позволяет улучшить
механические свойства, особенно путем нормализации зернистой структуры. В
случае, когда необходима структура мартенсита отпуска, термообработка является
основной технологией. [1], [10]
6.8.4.1 Снятие напряжений
83
П-ООС 17.02-02-2012
Процедура снятия напряжений состоит из нагревания отливки со скоростью 50 –
100 ºC/час до 600 ºC (следует внимательно следить за процессом и не превышать
температуру 610 ºC), после чего, выдержка ее в течение минимум одного часа, плюс
дополнительный час на каждые 25 мм толщины на самом толстом участке, и
последующее охлаждение со скоростью 50 - 100 ºC/час или меньше. Отливки
должны соответствующим образов располагаться в печи так, чтобы в них не
возникали дополнительные напряжения.
6.8.4.2 Удаление карбидов
В тонких участках отливки могут содержаться карбиды в 'отлитой' структуре. Они
могут быть удалены при выдержке отливки при температуре 900 – 925 ºC в течение
3 - 5 часов.
6.8.4.3 Отжиг для создания ферритовой основы
Процедура отжига включает в себя выдержку отливки при температуре 900 - 925
ºC в течение 3 - 5 часов, после чего следует медленное охлаждение со скоростью,
приблизительно, 20 - 35 ºC/час, в критическом температурном диапазоне
(приблизительно 800 - 710 ºC), и конечное охлаждение в печи со скоростью,
примерно, 50 - 100 ºC/час, до температуры 200 ºC.
6.8.4.4 Нормализация для создания перлитовой структуры
В процессе нормализации отливки выдерживаются при температуре выше
критической, после чего необходимо провести охлаждение на открытом воздухе.
Обычно выполняется повторная выдержка при температуре 900 – 925 ºC, чтобы
гарантировать, что карбиды разрушены. Чтобы сформировать перлитовую
структуру, используется принудительное воздушное охлаждение. Тип имеющейся в
наличии печи для термообработки и размер загрузки определяют требуемый
производственный цикл процесса. Может понадобиться скорректировать структуру
металла путем добавок олова или меди, что способствует полному формированию
перлитных структур.
6.8.4.5 Создание закаленных и отпущенных структур
Закаленные структуры создаются путем аустенизации отливки при температуре
900 – 920 ºC, после чего следует закалка в масле. Отпуск обычно выполняется при
температуре 600 – 650 ºC.
6.8.4.6 Закалка на аустенит пластичного чугуна (ADI)
Закалка на аустенит представляет собой изотермическую термообработку для
создания аусферритовой структуры. Это может вдвое упрочнить пластичный чугун,
позволяя ему сохранить хорошую пластичность и жесткость. Сопротивление износу
и усталостные свойства становятся превосходными до такой степени, что ADI можно
сравнить с кованой и закаленной сталью.
Термическая обработка ADI-чугуна представляет собой двухступенчатый
процесс, схема которого представлена на Рисунке 6.52. Аустенизация выполняется
при температуре 815 – 930 ºC до полного создания аустенитной структуры. Это
осуществляется либо в печи в неокисляющей атмосфере, либо в соляной ванне при
высокой температуре. Температура и время выдержки определяются химическим
составом, размером отливки и сортом требуемого ADI-чугуна; обычно достаточно 1 1.5 часа. Желательно проводить медленное начальное нагревание отливок,
имеющих сложные формы, чтобы избежать риска образования трещин. Отливки
затем подвергаются закалке при заданной температуре изотермической обработки,
обычно между 210 и 400 ºC. Это часто выполняется в соляной ванне.
Отливка выдерживается при этой температуре в течение 1 – 2 часов, до
завершения процесса преобразования аустенита в аусферрит. Более низкие
температуры дают высокую твердость, прочность и стойкость к износу, в то время
как высокие температуры приводят к более высокой пластичности и жесткости.
84
П-ООС 17.02-02-2012
После изотермической
окружающей среды.
обработки,
отливка
охлаждается
до
температуры
Рисунок 6.52 - Типичные стадии закалки на аустенит [10]
Чистые пластичные чугуны могут быть подвержены закалке на аустенит при
толщине их участков, приблизительно, до 8-мм. Более толстые отливки требуют
добавки Mo или Ni для увеличения степени закалки.
Пластичный чугун, подвергнутый закалке на аустенит, используется в качестве
замены
стальной
поковки
в
сельскохозяйственном,
железнодорожном,
автомобильном и общем машиностроении; например, для изготовления лезвия
отвалов, зубьев землеройных машин, кронштейнов рессор, кронштейнов крепления
задней оси, шестерен и т.д. Производство ADI-чугуна возрастает, но его
использование ограничено до некоторой степени отсутствием соответствующих
средств термической обработки. [1], [10]
6.8.5 Термобоработка стали
Стальное литье обычно подвергается термообработке перед отгрузкой,
например, нормализации, приводящей к изменению структуры. Кроме того,
необходимо уменьшить потенциальные внутренние напряжения в отливке (отжиг
для снятия внутренних напряжений). Целый ряд стальных отливок должен
подвергаться дополнительному отпуску после снятия напряжений (закалка и отпуск).
Большинство стальных отливок подвергаются термообработке для достижения
желаемых механических свойств и снятия напряжений, для приобретения
коррозионной стойкости и облегчения отделочных работ. Уровень термообработки
определяется в соответствии с маркой стали. Для удаления химической и
структурной сегрегации обычно проводится отжиг при высокой температуре. Углерод
и низколегированные стальные сплавы подвергаются:
- нормализации и охлаждению на воздухе, или
- аустенизации, закалке и отпуску.
85
П-ООС 17.02-02-2012
Аустенитная или двухфазная нержавеющая сталь подвергается термообработке
на твёрдый раствор и закалке в воде. Также используется дополнительная
термообработка, например, снятие напряжений или термообработка после
проведения сварочных работ, требуемая для снятия внутренних напряжений
материала. [1], [7], [3]
6.8.6 Термообработка алюминия
Алюминиевые отливки подвергаются термообработке для: гомогенизации,
снятия
напряжений,
улучшения
способности
сохранять
размеры
и
обрабатываемости, для оптимизации прочности, пластичности, жесткости и
коррозионной стойкости. Чаще всего термообработка представляет собой
компромисс, часто улучшая одни важные свойства за счет других. Термообработка
алюминия может включать: отжиг, термообработку на твёрдый раствор, закалку,
искусственное старение и обработку осаждением. Тип используемой обработки
указывается с помощью индекса в обозначении сплава. Это называется
индикатором отпуска. При свободном литье и литье в кокиль под низким давлением,
а также при литье в песчаные формы возможно использование всех типов
термообработки, хотя не все они стандартизированы. При литье в кокиль под
давлением не разрешается проведение термообработки на твёрдый раствор и
закалки, подобно соответствующим процессам при литье в песчаные формы,
свободном литье и литье в кокиль под низким давлением. Захваченные пузырьки
газа могут расширяться и вызывать образование дефектов. Термообработка не
является общей процедурой при литье в кокиль под высоким давлением; только
приблизительно 1 % отливок этого типа подвергается термообработке. Все литье в
кокиль под давлением может быть подвергнуто закалке, осаждению и снятию
напряжений без получения каких бы то ни было вредных результатов. При
производстве отливок колес из алюминиевых сплавов в кокиль при низком давлении,
90 % отливок подвергается термообработке [3].
6.8.6.1 Снятие напряжений и отжиг
В отливках переменного сечения или сложной формы могут возникать
внутренние напряжения. В дальнейшем, после механической обработки, они могут
вызвать изменения размеров. Чтобы стабилизировать отливку и снять внутренние
напряжения, отливка нагревается до температуры 200 ºC в течение 5 часов, после
чего следует медленное охлаждение в печи.
6.8.6.2 Обработка твердого раствора и закалка
Отливка нагревается до температуры ниже температуры плавления и
выдерживается в течение длительного времени до внедрения легирующих
компонентов в однородный твердый раствор. Затем отливка быстро охлаждается,
закаливаясь при комнатной температуре, чтобы сохранить элементы в растворе.
Используется вода или специальная закалочная среда. Резервуары для закалки
размещаются недалеко от печи, чтобы гарантировать возможность быстрого
охлаждения. Хотя чувствительность к времени закалки зависит от состава сплава,
следует ограничиться интервалом 5 – 10 сек.
6.8.6.3 Обработка осаждением
Управляемое осаждение легирующих компонентов осуществляется при нагреве
отливки до температуры между 150 ºC и 200 ºC. Прочность отливки и ее твердость
увеличиваются. Поэтому процесс также используется для упрочнения структуры.
Каждый сплав имеет оптимальный цикл термообработки.
6.8.6.4 Искусственное старение
Некоторые литейные сплавы увеличивают свою прочность и твердость при
выдержке при комнатной температуре. Процесс может занимать несколько недель,
но может быть ускорен, путем нагрева отливки до температуры выше комнатной и
86
П-ООС 17.02-02-2012
последующей выдержки при этой температуре в течение длительного периода
времени. [4], [7], [39], [40]
6.9 Контроль качества
В процессе контроля качества обработанная отливка проверяется на
соответствие заданным требованиям: например, на соответствие размеров, наличие
дефектов структуры металла, поверхностной структуры. В зависимости от типа
отливки и размера серии, контроль качества может осуществляться путем
визуального осмотра, с использованием измерительных инструментов или
автоматически.
В производстве колес из алюминиевых сплавов отливки контролируются с
помощью рентгеновского анализа. Стандартный спектр, соответствующий
качественной отливке, используется для проверки с помощью компьютерной
программы. Если существуют какие-нибудь отличия, изображение изучается и
оценивается оператором. Случайные испытания образцов сплава выполняются с
помощью спектрального анализа.
Процесс контроля качества позволяет принять решение об отклонении отливки
или разрешении на ее дальнейшую отгрузку на рынок. Отбракованная отливка
возвращается на вход сырья для переплавки. [3]
7 Уровни выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух,
сбросов загрязняющих веществ в составе отводимых сточных вод в
окружающую среду, образования отходов производства и потребления
воды и энергии
7.1 Обзор массовых потоков
7.1.1 Введение
На Рисунке 7.1 приводится общий обзор массовых потоков для процесса
литейного производства. В основном, данная схема относится к литейному
производству черных и цветных металлов. Конкретные аспекты различных стадий и
типов обработки будут разобраны далее.
87
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 7.1 - Обзор массовых потоков для процесса литейного производства
7.2 Черные металлы – плавление и обработка металла
7.2.1 Свойства плавильных печей для стали и чугуна
В Таблице 7.1 представлен обзор свойств, типичных для плавильных печей,
использующихся для производства стали и чугуна. Приводимые данные
обсуждаются в следующих далее разделах.
88
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 7.1 - Типичные свойства плавильных печей и данные по выбросу вредных веществ [1], [13], [7], [3] и комментарии от CTIF
Процесс
Тип
Подтип
Источник энергии
Тепловой кпд1 (%)
Первоначальный
тепловой кпд2 (%)
КВт/ч на тонну садки
металла
Периодическая /
методическая
Производительность
(тонн/час)4
Производственная
мощность5 (тонн)
Время расплавления
(час)
Возможность
рафинирования
Капитальные затраты
Образование шлака на
тонну садки металла
Образование пыли6 (кг
на тонну садки металла)
Сталь
Дуговая электропечь
С кислой
С основной
футеровкой
футеровкой
Индукционная
Без сердечника
Индукционная
Без серденика
Холодное
дутье
Горячее
дутье
Электри-чество
60 - 70
21 – 25
Электричество
60 - 70
21 – 25
Электричество
50 – 60
15 – 20
Электричество
50 – 60
15 – 20
Кокс
30 – 40
30 – 40
Кокс
40 - 45
40 – 45
500 – 700
500 – 700
520 – 800
520 – 800
950 – 1200
800 – 900
Периодическая
Периодическая
Периодическая
Периодическая
Методическ
ая
2 – 10
Методическая
8 – 70
Чугун
Вагранка
Горячее дутье –
С долгим сроком
службы
футеровки
Кокс
35 – 45
40 – 45
Роторная
Безкоксовая дуплексная
Газ / топливо
50 – 60
45 – 50
Газ / топливо
50 – 60
35 – 453
810 – 1100
700 – 800
600 – 800
Методи-ческая
Методическая
>5
Периодическая
8 – 70
2 – 50
2 – 50
0,01 – 30
0,01 – 30
1 – 20
1–4
1–4
1–2
1–2
2–4
Возможно
Возможно
Нет
Нет
Да
Да
Высокие
10 – 40
Высокие
20 – 80
Высокие
Высокие
Средние
40 – 80
Высокие
5–8
10 – 20
0,06 – 1
5 – 13
Выброс газообразных отходов (кг на тонну садки металла)
В зависимости от производства
400 – 500
электроэнергии
не имеет отношения
Возмо-жен9
Незначительный
1-2
Да
Нет
Нет
Средние
40 – 80
Низкие
20 – 60
4 – 12
0,8
0,3 – 2,9
350 – 480
100 – 120
120
Высокие
40 – 80
7
СО28
СО
SO2
В зависимости от производства
электроэнергии
7,5 – 25 (обезуглероживание)
<1
0,5 - 2,5
<1
<10
Зависит от
топлива
0,5
производственной
NOx
не имеет отношения
не имеет отношения
<1
<1
1 Указанные значения дают представление о порядке величины, но во многом зависят от условий эксплуатации, таких как температура
металла,
производительность печи
2 Эффективность выработки электрической энергии принята равной 35%
3 Принимая в расчеты потребление энергии для производства кислорода и сырьевых материалов, таких как графит и FeSi, для восполнения
элементов,
плавления
4 Только для непрерывных процессов
5 Только для периодических процессов
6 Указаны общие значения, найденные в литературе
7 Указаны общие значения, найденные в литературе
8 Предполагается полное сгорание
9 В зависимости от местных условий эксплуатации и конструкции.
1,0 – 1,5
2,5 – 3,0
0,3 – 0,4
мощности
и
окислившихся во
время
89
П-ООС 17.02-02-2012
7.2.2 Вагранки
На входе
На выходе
чёрный металл (чугунные болванки,
металлический сплав (чугун)
губчатое железо, стальной металлолом,
пыль (содержащая металл)
возвращаемые
отходы
литейного
CO/CO2, SO2, NOx
производства…)
HF
легирующие
металлы
диоксины, фураны
(ферросплавы…)
органические
загрязняющие
флюс (известняк…)
вещества
энергия
(кокс,
газ,
нефть,
шлак
электричество)
отходы огнеупорных материалов
кислород, воздух
охлаждающая жидкость
вода
7.2.2.1 Потребление кокса и энергии
Что касается операций с холодным дутьем, то потребление кокса между
загрузками, как правило, составляет 90 – 120 кг на тонну загруженного металла, но
может составлять и менее 70 кг на тонну садки металла, например, в случае
противовесов. По расчетам количества кокса в коксовой колоше выходит, что общее
его потребление составляет 110 – 140 кг на тонну садки металла. А так как
теплотворная способность европейских коксов равна 8,5 кВтчас/кг, то это
соответствует термической мощности в 950 – 1200 кВтчас на тонну садки металла.
Общее соотношение кокса в вагранке для горячего дутья, как правило,
составляет 110 – 145 кг на тонну садки металла. Тем не менее, в среднем
процентное содержание стали равно 50%, а на рекарбюризацию расходуется
приблизительно 1,5%. С учетом этого, действительное потребление кокса
составляет 95 – 130 кг на тонну садки металла, что дает нам от 810 до 1100 кВтчас
на тонну садки металла. А это соответствует термическому коэффициенту полезного
действия, составляющему от 35 до 45%.
В зависимости от планировки завода, необходимо также учитывать энергию,
потребляемую оборудованием для очистки отходящих газов и раздаточной печью,
как оговаривается в Таблице 7.2. Данные по Германии указывают на специфическое
потребление электричества для оборудования по очистке топочных газов. Оно
составляет 20 кВтчас на тонну хорошего литья. [7]
Таблица 7.2 - Среднее потребление энергии для очистки отходящих газов и для
выравнивания температуры
Тип энергоносителя
Газ для топочной камеры
Электричество
для
оборудования
очистке топочных газов (вентиляторы и т.д.)
Электричество для раздаточной печи
Среднее потребление,
кВтчас на тонну садки
металла
40
по
40
60
7.2.2.2 Твердые частицы
Диапазон выброса твердых частиц очень широкий. В первую очередь подобные
выбросы зависят от используемого типа вагранки, как указано в Таблице 7.3:
152
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 7.3 - Уровень выброса пыли (неочищенный отходящий газ) для
различных типов вагранок [1]
Тип вагранки
Холодное дутье
Горячее дутье
Горячее
дутье
футеровки
Безкоксовая
Выбросы пыли
(кг/т садки металла)
без
Количественное
соотношение кокса
(кг/т садки металла)
110 – 140
95 – 130
115 – 135
5 – 13
4 – 10
5 – 12
0.8
0
В Таблице 7.4 приводятся уровни выброса пыли, измеренные в комплекте
дымовых труб для трех немецких печей.
Таблица 7.4 - Уровни выброса пыли у вагранок и распределение твердых частиц
по размерам [7]
Очистка отходящего газа
Объем
(м3/час)
28500
Общее
количество
пыли (мг/м3)
7
Твердые
частицы
(ТЧ10) %
88
Твердые
частицы
(ТЧ2,5) %
47
Отводящий
канал
над
колошей; рукавный фильтр
Циклонный пылеуловитель,
трубка Вентури, регенератор
Нет данных
16000
68 – 94
96
88
6000
(Нм3/час, сухая)
75
100
45 – 85
В общем случае, размер твердых частиц находится в диапазоне от менее чем 1
мкм до 10 мм, при этом 50% составляют размеры меньше чем 100 мкм. Однако
размеры менее 2 мкм составляют от 5 до 20%, что делает сбор пыли более трудным
занятием. В первую очередь пыль в вагранках обязана своим происхождением коксу,
двуокиси кремния, ржавчине и известняку, как видно из Таблицы 7.5.
Таблица 7.5 - Типичный состав пыли в вагранках, данные показывают процент от
массы [1] и [41]
Вещество
Состав (%)
[1]
[158, Шарбонье, и другие, 1998]
Оксид железа
30 – 60
15 – 25
SiO2
± 25
15 – 30
Коксовая пыль
3 – 15
нет данных
MnO
3 – 10
2–5
Al2O3
1–3
2–5
MgO
1–3
0–2
CaO
<1
5 – 10
S
<2
нет данных
ZnO, в зависимости от садки
<3
0 – 30 Zn*
PbO, в зависимости от садки
<1
0 – 5 Pb*
* В форме оксидов и силикатов; относится к пыли с повышенным содержанием цинка
7.2.2.3 Газообразные отходы
Газ в вагранке, работающей на коксе, в первую очередь состоит из N2, CO2, H2O
и CO, с небольшим содержанием SO2. В обычных вагранках, в которых отходящий
153
П-ООС 17.02-02-2012
газ собирается над завалочным окном, необходимо делать различие между
условиями топочных газов ниже и выше нее, потому что через завалочное окно
проникает окружающий воздух. А он в значительной степени изменяет общий
воздушный поток.
Если ваграночные газы достаточно горячие и если присутствует достаточное
количество СО, газы могут спонтанно дожигаться вместе с проникающим внутрь
воздухом (CO + O2 => 2CO2). При этом температура может повыситься до 900 ºC. В
этом случае в отработанных газах будет содержаться небольшое или нулевое
количество СО. Если же сгорание не происходит, засасывание воздуха вызывает
эффект охлаждения, в диапазоне между 100 и 300 ºC. В этом случае соотношение
CO/CO2 остается неизменным. Температура газов сразу же под завалочным окном в
первую очередь зависит от высоты садки; поступление окружающего воздуха
определяется мощностью вентилятора или наличием естественной тяги.
Поток неразбавленных колошниковых ваграночных газов пропорционален
потреблению кокса. Увеличение содержания кокса в садке приводит к снижению
производительности (тонна расплавленного металла в час) при условии
поддержания постоянного воздушного потока. В этом случае может потребоваться
увеличить приток воздуха, чтобы поддерживать производительность. С учетом
интенсивности горения (CO + O2 => 2CO2), увеличение количества кокса и
подаваемого воздуха приведет к увеличению потока отработанных газов.
Для какой-либо конкретной печи потребление кокса и подаваемого воздуха
зависят от желаемой скорости плавления и температуры металла, а они могут
изменяться на ежечасной основе. Типичные скорости потока, отмеченные в
литературе, изменяются в диапазоне от 600 до 800 Нм3 на тонну садки металла для
вагранок холодного дутья, и от 500 до 700 Нм3 на тонну садки металла для вагранок
горячего дутья. Процентное содержание несгоревших колошниковых газов может
быть таким, как указывается в Таблице 7.6:
Таблица 7.6 - Процентный состав несгоревших колошниковых газов для вагранок
[1]
Вещество
CO2
CO
Н2
SO2
N2
Объем %
10 – 18
5 – 15
<1
<0,05
Остатки
Скорости потоков отработанных газов над загрузочной дверью могут быть в два
– пять раз выше. Это зависит от заданной температуры разбавленных газов
(которая в свою очередь зависит от применяемой системы улавливания пыли), а
также – в случае рекуперативной вагранки для горячего дутья, – от наличия камеры
последующего дожигания. Типичные значения для скоростей потоков составляют от
3000 до 4000 Нм3 на тонну садки металла, расплавленного для вагранок холодного
дутья, и от 900 до 1400 Нм3 на тонну садки металла, если производится
последующее дожигание. Процентный состав газов определяется скоростью
разбавления (в зависти от естественной тяги или мощности вентилятора), степени
спонтанного дожигания СО или от самого последующего дожигания, которое может
производиться с полным или частичным потоком. [1]
Данные по выбросам для основных компонентов газообразных продуктов
горения приводятся в Таблице 7.7. В ней перечисляются вагранки для холодного и
горячего дутья с различными плавильными мощностями. Кроме того, в таблице
также указывается, где именно – ниже или выше завалочного окна – собирается
154
П-ООС 17.02-02-2012
отходящий газ. Для систем горячего дутья характерны пониженные уровни выброса
SO2. Дожигатель проявляет лучшие показатели по очистке от пыли, чем скруббер
Вентури. Применение последующего дожигания отчетливо влияет на уровни как СО,
так и NOx, при оптимальных рабочих условиях. Анализ всеобъемлющих данных по
сроку службы указывает, что работа вагранки для холодного дутья в условиях ниже
оптимальных ведет к увеличению выброса СО: 2000 мг/Нм3 по сравнению с 5 – 20
мг/Нм3 в оптимизированных условиях. Соответственно увеличиваются и выбросы
ЛОС и ПАУ (полициклические ароматические углеводороды). [13]
Использование сухой очистки от пыли (т.е. применение рукавного фильтра)
понижает уровни выброса пыли до ≤20 мг/Нм3. Согласно инвентаризационным
данным от итальянских плавильных производств, у них уровень пыли был ниже 30
мг/Нм3 (он находился в пределах от 0,1 до 32 мг/Нм3), когда применялся рукавный
фильтр. При мокрой очистке выбросы пыли достигают 80 мг/Нм 3 (находясь в
пределах от 5,4 до 78 мг/Нм3) [45]. На одной немецкой вагранке было отмечено
значение в 68 – 94 мг/Нм3 при мокрой очистке (смотрите Таблицу 7.4).
21
17798
21
нет дан.
11
Горячее дутье
20
НС
40000
5
57
712
11
нет дан.
11
Горячее дутье
24
НС
46445
Дожигатель
Рукавный
фильтр
11-1,4
20
14-17
70-75
7
11
Горячее дутье
25
НС
35000
Вентури
36
28
21
16
нет дан.
11
Горячее дутье
Холод.дутье
60
3,2
НС
ВС
75000
12000
5
10
58
401
9
5084
7
16
нет дан.
1
11
11
Холод.дутье
5
ВС
23000
6
434
28558
63
нет дан.
11
Холод.дутье
8
ВС
20000
20
401
936
36
нет дан.
11
Холод.дутье
9
НС
22000
Дожигатель
Рукавный
фильтр
Рукавный
фильтр
Рукавный
фильтр
Рукавный
фильтр
4
105
17286
60
нет дан.
11
2
1
объем.%
Вентури1
HF
мг/Нм3
29000
NOx
мг/Нм3
Поток
м3/час
НС
СО
мг/Нм3
Выпуск
тип
19
SO2
мг/Нм3
Мощность
т/час
Горячее дутье1
Пыль
мг/Нм3
Вагранка
тип
Оборудование
очистки газов
Таблица 7.7- Данные по выбросу для вагранок холодного и горячего дутья,
работающих с различными устройствами [7], [42], данные приводятся в пересчете на
11% О2
1) Применялся старый регенератор
НС: сбор газов ниже садки; ВС: сбор газов выше садки
Все данные представляют средние значения, основанные на непрерывном ежедневном наблюдении
7.2.2.4 Ваграночный шлак
Шлаки содержат оксиды, которые плавают на поверхности расплава. Они
образуются из-за загрязнений в подаваемых материалах, износа печной
огнеупорной керамики, а также из коксовой золы и угара металла в садке [3]. Шлаки
связываются с помощью введения связующих материалов, таких как вермикулит. В
Таблице 7.8 приводится типичный состав ваграночного шлака. Как правило, вагранка
производит 40 – 80 кг шлака на тонну жидкого чугуна.
Таблица 7.8 - Типичный состав ваграночного шлака [43], [12]
Компонент
%
155
П-ООС 17.02-02-2012
SiO2
СаО
Al2O3
MgO
MnO
FeO
Сульфиды
TiO2
ZnO
45 – 55
25 – 40
8 – 20
1–3
1–4
1–6
<1
<1
<0,1
Ваграночный шлак на 30% состоит из огнеупорного материала, на 10% из песка
(из оборотного лома), на 40% из СаО (флюс), на 10% из коксовой золы и на 10% из
перегоревшего материала.
Важной характеристикой ваграночного шлака является высокое содержание в
нем SiO2. После быстрого охлаждения шлак приобретает стекловидную структуру. А
это ведет к образованию инертного невыщелачиваемого материала.
7.2.2.5 Отходы огнеупорной керамики
Вагранка имеет одну типичную особенность: срок службы футеровочного
материала печи (смесь кварца и глины) в зоне плавления составляет всего лишь
один цикл. Основная часть огнеупорной керамики превращается в шлак. Количество
материала, вынимаемого и выбрасываемого в качестве отходов, значительно
меньше количества применяемого материала.
7.2.3 Дуговая электропечь
На входе
чёрный металл (стальной металлолом,
возвращаемые
отходы
литейного
производства, металлическая стружка,
чугунные болванки…)
легирующие металлы (ферросплавы…)
флюс (известняк…)
энергия (электричество, газ, нефть)
кислород
электроды
На выходе
металлический
сплав
(стальная
отливка)
пыль
(содержащая
металл,
огнеупорную керамику)
NOx, CO2, CO
органические вещества, загрязняющие
воздух; углеводороды
металлооксидный дым
шлак (CaO, SiO2, MgO)
отходы огнеупорных материалов
7.2.3.1 Потребляемые ресурсы
Чтобы расплавить одну тонну стали и довести ее до температуры разливки,
используется 500 – 600 кВтчас электроэнергии. Как правило, печи рассчитаны на
500 кВА на тонну, при этом время плавления составляет приблизительно 1,5 часа.
Электроды изготавливаются из графита. Во время работы они окисляются,
испаряются и ломаются, поэтому их необходимо заменять по мере необходимости.
Для трехтонной печи, как правило, используются электроды диаметром 200 мм.
Потребление электродов составляет значительную часть в стоимости дуговой
плавки. Расход достигает от 3 до 10 кг на тонну расплавленной стали, в зависимости
от производимой стали и используемой технологии. [10]
7.2.3.2 Твердые частицы
Степень выброса твердых частиц, указанная в литературе, составляет от 2 до 20
кг на тонну загруженного чугуна, при этом среднее значение равно 5 – 8 кг на тонну.
Наиболее высокая интенсивность выброса отмечается в начале цикла плавления,
во время обработки по обезуглероживанию и во время обратной загрузки [44].
156
П-ООС 17.02-02-2012
Размер частиц находится в диапазоне от менее 1 мкм до более 100 мкм, при этом
50% составляет менее 3 – 5 мкм. Во время кислородной обработки один из анализов
показал, что почти 90% твердых частиц были меньше чем 5 мкм.
С точки зрения химического состава частиц можно наблюдать еще больший
разброс в данных измерений. В Таблице 7.9 приводится обзор цифр, которые
встречаются в литературе.
Таблица 7.9 - Химический состав пыли в дуговых электропечах на сталелитейных
заводах [1]
Вещество
FeO + Fe2O3
SiO2
СаО
MgO
Весовой процент
(%)
30 – 60
5 – 35
1 – 15
0 – 15
ZnO
Cr2O3
0 – 16
0–8
MnO
Al2O3
MoO3
NiO
Pb
Cd
TiO2
V2O5
Растопочные
потери
2 – 10
0–5
<1
<1
<1
<0,01
<0,05
<0,05
0–4
Химический состав печной пыли во многом зависит от сорта выплавляемой
стали. Например, низколегированные стали не будут образовывать выбросов,
содержащих хром или никель, а нержавеющая сталь - будет. Еще одним важным
фактором является качество металлолома. Плавление лома оцинкованной стали
приводит к значительному выбросу оксида цинка.
Применение соответствующего защитного зонта для дымовой трубы печи
позволяет улавливать до 98% печной пыли. После этого собранный отходящий газ
очищается, как правило, с использованием рукавного фильтра.[42]
7.2.3.3 Видимые дымы
Видимые дымы выбрасываются во время загрузки горячей печи, а также в
начале цикла плавления. В имеющейся литературе не указываются количество и
химический состав этих вторичных выбросов. Опять же, природа дымов зависит от
чистоты загружаемого материала с точки зрения содержания в нем масел, смазок,
красок и других органических веществ.
7.2.3.4 Газообразные отходы
Дуговые электропечи (ДЭП) в основном используются для плавления стали. Они
в первую очередь порождают выбросы пыли и газообразных компонентов, таких как
оксиды азота, окись углерода и органические составляющие. Последние зависят от
типа и количества примесей в подаваемом металле. Сырье, используемое в
литейном производстве в качестве загружаемых материалов, подбирается таким
образом, чтобы оно, как правило, не могло производить диоксинов. Органические
компоненты разлагаются до безвредных продуктов, если не применяется
предварительный нагрев металлолома без последующего дожигания. [42]
157
П-ООС 17.02-02-2012
В Таблице 7.10 приводятся данные по выбросу основных компонентов
газообразных продуктов горения. Согласно инвентаризационным данным от
итальянских плавильных производств, у них уровень пыли был ниже 10 мг/Нм 3 (он
находился в пределах от 1,2 до 8,3 мг/Нм3), когда применялся рукавный фильтр. При
мокрой очистке выбросы пыли достигают менее 25 мг/Нм3 (находясь в пределах от
12 до 24,5 мг/Нм3) [45].
SO2
мг/Н
м3
СО
мг/Н
м3
NOx
мг/Н
м3
рукавный
2
Нет
нет
50
фильтр
дан.
дан.
ДЭП
2х50
ПУ
380000 рукавный
4
нет
нет
нет
фильтр
дан.
дан.
дан.
ДЭП
10
ЧУ
160000 рукавный
1
1
200
5
фильтр
ПУ: полное укрытие защитным зонтом; ЧУ: частичное укрытие защитным зонтом
50
HF
мг/Н
м3
О2
объем.%
265000
Пыль
мг/Нм3
ПУ
Оборудование
очистки
газов
Поток
м3/час
ДЭП
Отходящий газ
сбор
Мощность
т/загрузка
Таблица 7.10 - Типичные значения выбросов для дуговых электропечей [42]
нет
дан.
нет
дан.
0,1
20
20
20
Во время плавления и фришевания образуется СО за счет окисления
графитовых электродов и углерода из зеркала ванны. Рассчитанное количество
составляет от 6 до 20 Нм3 СО на тонну (или от 7,5 до 25 кг СО на тонну), в
зависимости от первоначального содержания углерода в загруженном материале и
от требующегося уровня углерода после обработки. Нагнетание кислорода приводит
к тому, что из зеркала ванны выбрасывается большое количество оксида железа.
Каких-либо других значительных выбросов не отмечалось. [1]
7.2.3.5 Шлаки
В Таблице 7.11 приводится химический состав шлаков в ДЭП. Указанные
значения были основаны на анализе 3 образцов.
Таблица 7.11- Химический состав шлака в ДЭП [46]
Компонент
SiO2
СаО
MgO
Al2O3
FeO
MnO
TiO2
Na2O
K2O
Среднее
значение
(%)
36,2
12,4
22,1
8,4
0,7
14,8
1,2
0,3
0,1
Разброс значений
(%)
28,6 – 41,8
7,2 – 17,7
18,3 – 27,0
7,4 – 0,1
0,5 – 1,0
4,0 – 29,6
0,39 – 2,7
0,11 – 0,57
0,1 – 0,23
7.2.4 Индукционная печь
На входе
На выходе
чёрный металл (чугунные болванки,
металлический
сплав
(чугун,
стальной металлолом, металлическая стальная отливка)
стружка,
возвращаемые
отходы
пыль
литейного производства …)
органические
и
металлические
158
П-ООС 17.02-02-2012
легирующие
металлы дымы
(ферросплавы…)
СО
науглероживающие вещества, флюс
шлак
энергия (электричество)
отходы огнеупорных материалов
охлаждающая жидкость
7.2.4.1 Индукционная печь без сердечника
7.2.4.1.1 Потребление энергии
Индукционная печь без сердечника может расплавить тонну чугуна и повысить
температуру жидкого металла до 1450 ºC, потребляя чуть меньше 600 кВтчас
электроэнергии. Однако на практике только немногие литейные производства могут
достичь такого уровня удельного расхода на еженедельной основе. Реальное
потребление энергии меняется в соответствии с размером и рабочим режимом печи.
Большие печи, работающие по 24 часа в сутки и использующие зеркало
расплавленного металла, могут достичь значения в 600 кВтчас на тонну.
Наблюдения на литейных производствах показывают, что общими являются
значения потребления в 520 – 800 кВтчас на тонну садки. Отклонения объясняются
индивидуальными технологиями плавления. Например, скоростью, с которой
разливочная линия принимает расплавленный металл, а также тем, насколько
эффективно используются заслонки печи. Если уделять внимание мерам по
сохранению энергии, то можно достичь значений в 550 – 650 кВтчас на тонну садки.
На Рисунке 7.2 указаны типичные тепловые потери для индукционных печей без
сердечника. [7], [10], [16]
Рисунок 7.2 - Типичные потери энергии для индукционной печи без сердечника,
работающей на промышленной частоте [16]
7.2.4.1.2 Твердые частицы
В литературе отмечалась интенсивность выбросов порядка от 0,06 до 1 кг на
тонну садки. Но в настоящее время обычной является интенсивность выброса в
159
П-ООС 17.02-02-2012
диапазоне от 0,04 до 3 кг/т. Наибольшая интенсивность проявляется во время
загрузки и во время начала цикла плавления. Размеры частиц изменяются от 1 до
100 мкм, при этом более 50% - это частицы с размерами меньше чем 10 – 20 мкм.
[1], [7]
В Таблице 7.12 приводятся уровни выбросов и распределение твердых частиц в
индукционной печи на одном из немецких плавильных производств.
Таблица 7.12 - Уровни выброса пыли в индукционной печи и распределение
размеров твердых частиц [7]
Очистка топочного газа
Объе
м
(м3/ча
Общее
количество
пыли (мг/м3)
с)
Защитный
фильтр
зонт
и
рукавный
10400
собранна
я 0,4
Тверд
ые
частицы
(ТЧ10) %
78
Тверд
ые
частицы
(ТЧ2,5) %
50
Что касается химического состава твердых частиц, то нет опубликованных
данных, относящихся к плавке стали. Но есть основания верить, что он близок к
химическому составу пыли, выбрасываемой во время плавления чугуна, как
показано в Таблице 7.13. Наличие Zn, Pb или Cd приведет к образованию
взвешенных частиц содержащих оксиды металлов во время плавления садки.
Таблица 7.13 - Химический состав пыли в индукционных печах на производствах
по литью чугуна [1]
Вещество
FeO + Fe2O3
SiO2 (в зависимости от материала футеровки)
MnO
Al2O3 (в зависимости от материала футеровки)
СаО
ZnO (в зависимости от материала футеровки)
Оксиды металлов (в зависимости от материала
футеровки)
Растопочные потери
Весовой процент
(%)
30 – 70
5 – 25
<5
3 – 10
<1
<5
<0,1
0 – 10
7.2.4.1.3 Газообразные отходы
Плавление чугуна и стали в индукционных печах (ИП) приводит к образованию
меньших выбросов, по сравнению с вагранками. В первую очередь
предотвращаются выбросы, производимые при сгорании ископаемого топлива.
Эффективность очистки отработанных газов на уровне до 95% становится
возможной благодаря использованию специальных систем улавливания. Например,
боковых вытяжек, передвижных защитных зонтов и частичного укрытия. Фильтрация
отходящих газов выполняется в основном с использованием систем сухой очистки.
При этом могут быть достигнуты урони выброса пыли меньше чем 5 мг/Нм3 [3]. В
Таблице 7.14 приводятся типичные данные по выбросам.
Таблица 7.14 - Типичные данные по выбросам для плавки в индукционных печах
на производстве литья черных металлов [42]
160
Поток
м3/час
Оборудование
очистки газов
боковая
вытяжка
54000
рукавный
фильтр
5
СО
мг/Н
м3
SO2
мг/Н
м3
нет
дан.
нет
дан.
NOx
мг/Н
м3
нет
дан.
HF
мг/Н
м3
нет
дан.
О2 объем.%
Отходящий газ
сбор
(2х10) +
(3х3)
Пыль
мг/Нм3
Мощность
Кол-во печей х
т/садка
П-ООС 17.02-02-2012
21
Загрузка в холодную печь металлолома или металлической стружки с
маслянистыми загрязнениями приводит к образованию органических испарений в
отработанных газах. Они не сгорают, потому что образуются в начале цикла
плавления. Добавление подобного металлолома в зеркало ванны (т.е. при
использовании технологии зеркала расплавленного металла) может оказаться очень
опасным.
Так как объем данной работы ограничивается литьем черных металлов, то в
расчеты не принимались данные по выбросам в результате выработки
электроэнергии.
7.2.4.1.4 Шлаки
В Таблице 7.15 приводятся типичные свойства шлаков в индукционных печах.
Такие печи производят 10 – 20 кг шлака на тонну садки металла. Количество
получаемого шлака зависит от качества загружаемого материала. Если оборотный
лом перед повторной плавкой очищается (струей сжатого воздуха), то могут
применяться нижние пределы из указанного диапазона.
Таблица 7.15 - Типичный химический состав шлака в индукционных печах [43]
Вещество
SiO2
FeO
Al2O3
MnO
СаО
MgO
(%)
40 – 70
10 – 30
2 – 15
2 – 10
0–3
0–3
7.2.4.2 Канальная индукционная печь
В литейном производстве черных металлов канальная индукционная печь, как
правило, используется в качестве разливочной печи. Именно такая печь является
хорошим выбором для дуплексной работы с вагранкой горячего дутья. В этом случае
она либо используется для поддержания или гомогенизирования химического
состава металла, либо служит в качестве резервуара для разливки расплавленного
металла. В задачу печи не входит увеличение температуры металла, а скорее
предотвращение нежелательного охлаждения.
На Рисунке 7.3 показано потребление энергии некоторыми репрезентативными
канальными индукционными печами. Расходы зависят от параметров, относящихся к
процессу, таких как время хранения. График показывает, что потребление падает
при годовом увеличении тоннажа.
161
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 7.3 - Потребление энергии (кВтчас/тонн) в зависимости от
переработанного тоннажа и потери температуры для канальных индукционных печей
[9]
7.2.5 Роторная печь
На входе
На выходе
чёрный металл (чугунные болванки,
металлический сплав (чугун)
стальной металлолом, металлическая
пыль
стружка,
возвращаемые
отходы
органические
и
металлические
литейного производства …)
дымы
легирующие
металлы
шлак
(ферросплавы…)
отходы огнеупорных материалов
науглероживающие вещества, флюс
энергия (электричество, нефть, газ)
охлаждающая жидкость
7.2.5.1 Потребляемые ресурсы
Так же как и в случае с электрическим плавлением, источник энергии,
использующийся в роторной печи, обеспечивает чистый процесс, особенно, если
применяется природный газ или пропан. И опять же, степень загрязнения
загружаемого металлолома оказывает большое значение на природу и количество
вырабатываемых выбросов. Этот факт объясняет почему не существует
единообразной модели выбросов, а также почему данные измерений демонстрируют
широкий разброс значений.
7.2.5.2 Твердые частицы
Твердые частицы порождаются из-за грязи, прилипшей к загружаемому
материалу, а также из-за износа футеровки во время загрузки и плавления,
выгорания легирующих компонентов и различных добавок в садке. Приводимые
данные показывают общую интенсивность выбросов в диапазоне от 0,3 до 2,9 кг на
тонну садки металла. Размер зерна сравнительно невелик, от менее чем 1 мкм до
100 мкм. При этом 20 % <1 мкм, 60 % меньше чем 10 мкм и 95% меньше чем 50 мкм.
[1], [47]
В Таблице 7.16 приводится химический состав пыли в роторной печи.
162
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 7.16 - Химический состав пыли в роторной печи на литейном
производстве черных металлов [47]
Вещество
Оксиды железа
MnO
SiO2
MgO
Cr2O3
ZnO
Pb
Sn
Растопочные
потери
(%)
50 – 75
<1
<1
1–2
<0,5
<1
<0,5
0,2
5 – 10
7.2.5.3 Газообразные отходы
Подсчитано, что выработка СО2 составляет 120 кг на тонну садки металла. У
печи очень высокий тепловой коэффициент полезного действия: от 50 до 65%4, в
зависимости от мощности. Такой высокий уровень достигается за счет
использования чистого кислорода вместо воздуха в качестве среды для сжигания.
При этом сгорание топлива или газа может быть неполным. И в таком случае может
образовываться СО. Тем не менее, в этой точке отработанные газы покидают печь
при температуре в 1500 ºC. Вступая в контакт с окружающим воздухом, который
используется для охлаждения газов, СО спонтанно дожигается.
При использовании топлива, содержащего серу, могут образовываться
значительные выбросы SO2. В то же время, природный газ или пропан не порождают
каких-либо значительных выбросов SO2.
В отходящих газах 5-тонной печи были отмечены выбросы NOx в объемах от 50
до 250 ppm NOx, образующихся за счет окисления атмосферного азота при высоких
температурах пламени (2800 ºC), если окружающий воздух просачивается в печь
через дверцу топки. Образование NOx будет значительным при режиме
окислительного пламени и незначительным во время восстановительного горения.
Не было отмечено никаких углеродосодержащих выбросов. Возможно, это
объясняется высокой температурой пламени в печи и относительно высокой
чистотой загружаемого материала. [1]
У роторных печей для литья черных металлов, работающих с простыми
воздушно-топливными горелками и дожигателем, выбросы пыли достигают своего
пика приблизительно в 250 мг/м3 на короткие периоды времени (между 3 секундами
без прерываний, но также с прерываниями на период в одну минуту). Это
происходит во время твердых фаз цикла плавления. После этого, как только садка
начинает становиться жидкой, выбросы пыли снижаются до менее чем 30 мг/м3 в
течение нормальной работы. Во время твердой фазы плавки выбросы могут
непрерывно оставаться на высоком уровне в 150 – 200 мг/м3. Типичными являются
40% горючих выбросов. Пиковые выбросы из роторных печей по крайней мере на
80% состоят из несгоревшего топлива. Они возникают во время операций по
загрузке, когда основная горелка печи гасится, а затем снова поджигается.
Вышеуказанные выбросы имеют место, только если в течение всего времени, в том
числе во время загрузки, дымы пропускаются через дожигатель, который
поддерживается полностью в рабочем режиме [48]. Для кислородогазовой роторной
печи без дожигателя были отмечены следующие уровни пыли от неочищенного газа:
Разумеется, если не принимается в расчет энергия для производства кислорода. С учетом производства кислорода кпд
будет на 10 – 15% меньше. Более того, если вычесть энергию на замещение выгоревших компонентов садки (C, Si), то в
результате основной кпд составит только 30 – 35%
4
163
П-ООС 17.02-02-2012
средняя плотность пыли составила 400 – 450 мг/Нм3 в течение двух различных фаз
плавки. Этими фазами являются: твердая фаза с уровнем выброса пыли в 150
мг/Нм3 и фаза жидкого металла с пиковыми уровнями до 1500 мг/Нм3 при начале
вращения и 60 – 700 мг/Нм3 в течение нормальной работы. [47]
В Таблице 7.17 приводятся типичные данные по выбросам. Они были собраны
на печи для плавки чугуна мощностью 1,4 тонны в час без какого-либо оборудования
для очистки газов. [45].
Таблица 7.17 - Измеренные выбросы по роторной печи для плавки чугуна,
без оборудования для очистки топочных газов [13]
Параметр
Измеренн
Параметр
Измеренно
ое значение
е значение
Поток газа (Нм3/час)
9000
Хлор (мг/ Нм3)
0,01
Мощность (т/час)
1,4
Диоксины (нгTEQ/ Нм3)
0,018
SO2 (мг/ Нм3)
70 ± 60
PAHs (нг/ Нм3)
3
NOx (мг/ Нм )
200 ± 200
Нафталин
548
СО (мг/ Нм3)
20 ± 10
Фенантрен
269
Углеводороды (мг/ Нм3)
<1
Антрацен
9
HCl (мг/ Нм3)
1,64
Флуорантен
102
HF (мг/ Нм3)
0,91
Пирен
55
Пыль (мг/ Нм3)
220
Бензо(а)антрацен
10
Ртуть (мг/ Нм3)
0,35
Хризен
73
Кадмий (мг/ Нм3)
0,001
Бензо(а)флуорантен
3
Таллий (мг/ Нм3)
<0,0015
Бензо(b)+(k)флуорантен
39
Мышьяк (мг/ Нм3)
0,0002
Бензо(а)пирен
12
Никель (мг/ Нм3)
0,015
Бензо(е)пирен
20
Кобальт (мг/ Нм3)
0,0001
Индено(1,2,3-cd)
10
Свинец (мг/ Нм3)
0,38
Дибензо(a,h)+(a,c)антрацен
3
Хром (мг/ Нм3)
0,022
Бензо(g,h,i)перилен
11
Медь (мг/ Нм3)
0,196
Перилен
4
Марганец (мг/ Нм3)
0,38
Антантрен
3
Сурьма (мг/ Нм3)
<0,0001
Ванадий (мг/ Нм3)
0,011
Олово (мг/ Нм3)
0,0187
Селен (мг/ Нм3)
<0,0001
Платина (мг/ Нм3)
<0,0006
Палладий (мг/ Нм3)
<0,0029
Родий (мг/ Нм3)
<0,0016
Цинк (мг/ Нм3)
1,768
Железо (мг/ Нм3)
64,63
 Данные для установки без очистки топочных газов
 Средние значения по 3 измерениям, если стандартное отклонение составляет >30 %,
используйте предоставленное значение
7.2.6 Рафинирование и обработка стали
Для раскисления, как правило, используется алюминий в форме стержней.
Количество добавок меняется от 0,1% для стали со средним содержание углерода
до 0,2% для низкоуглеродистой стали. Восстановление доходит до 35% - 80%. Также
может применяться механическая подача алюминиевой проволоки. [10]
7.3 Плавление и металлообработка алюминия
7.3.1 Обзор плавильных печей для алюминия
В Таблице 7.18 указываются типичные свойства печей, данные по потреблению и
выбросам у различных типов печей для плавления алюминия. По причине широкого
164
П-ООС 17.02-02-2012
диапазона мощностей и настроек, в литературе не всегда удается найти
непротиворечивые данные по потреблению. Уровни расходов зависят от мощности
печи и условий эксплуатации, таких как температура металла и плотность загрузки.
Использование чистого изначального материала и нагрева за счет электричества
или сжигания газа приводит к сравнительно небольшим уровням выбросов от
плавления. Так как качественному составу отходящих газов особое внимание не
уделяется, то информация по химическому составу топочного газа ограничена.
При операциях плавления алюминия потери металла происходят только за счет
образования алюминиевого скрапа. Такой тип потерь обычно называется потерями
на выгорание и представляет собой окисление расплавленного металла. Оно
зависит от количества покрывающего шлака и от того, происходит ли сгорание.
Происходит окисление из-за просачивания воздуха в печь или из-за плохой работы
горелки. [49]
В последующих разделах будут рассмотрены и детально разобраны данные по
каждому конкретному типу печей.
Таблица 7.18 - Типичные свойства печей и данные по выбросам для
плавления алюминия [49] и комментарии от CTIF и VDG
Едини
цы
Роторная
печь
Подтип
Источники
энергии
Термический
кпд1
Основной
термический
кпд2
Особые
требования к
энергии3
Периодическа
я
/
методическая
Плавильная
мощность
Объем
хранения
Время
плавления
Возможность
рафинирован
ия
Потери
на
выгорание
Образование
пыли
NOx5
Капиталовло
жения6
Эксплуатацио
нные расходы
Технологии
уменьшения
%
Топливо
(жидк.,
газ)
15 – 40
%
кВт/т
Al4
Подовая
печь
Однокаме
рная
Топливо
(жидк., газ)
Шахтная
печь
Тигельная печь
Топливны
й нагрев
Топливо
(жидк.,
газ)
15 – 40
Резистивн
ый нагрев
Электриче
ство
Индукция
Электриче
ство
65
65 – 70
<30 – 57
Топливо
(жидк.,
газ)
35 – 60
15 – 40
<30 – 57
35 – 60
15 – 40
22
22 – 25
600 – 1250
975 – 1150
580 – 900
610 – 720
900 – 1200
610 – 680
750
470 – 590
475 – 640
440 – 470
Периодиче
ская
Периодиче
ская
методиче
ская
Периодиче
ская
Периодиче
ская
Периодиче
ская
т
3 – 10
0,5 – 30
0,1 – 1,2
0,1 – 0,4
0,2 – 25
т
не
относится
2–4
не
относится
3–4
0,5 – 4 (15)
1,5 – 10
0,1 – 1,5
0,1 – 1,5
0,15 – 6
0,5 – 1
0,5 – 1
4–5
0,2 – 0,5
Низкая
Низкая
Низкая
Хорошая
%
кг/т Al4
кг/т Al4
EUR
‘000
EUR
‘000
нет
нет
1–3
данных
данных
нет
<1
<1
данных
нет
<1 – 6
<1 – 6
данных
нет
нет
190 – 370
данных
данных
нет
нет
20 – 100
данных
данных
пылеуловительная камера с
рукавными фильтрами
Очень
хорошая
Низкая
1–2
1–2
1–2
<1
Слабое
Слабое
<1 – 6
20 – 50
не
относится
12 – 100
не
касается
190 – 500
3 – 20
15 – 45
35 – 150
Обычно не
требуется
Не
требуется
Не
требуется
165
П-ООС 17.02-02-2012
загрязнений
для больших установок
из-за
небольшог
о размера
печи
1
Определение: соотношение между нагревом флоат-ванны и подаваемым теплом от топлива;
указанные значения лишь показывают порядок величины, но во многом зависят от условий
эксплуатации, таких как температура металла
2
Предполагается, что эффективность выработки электроэнергии (на топливе) составляет 35%
3
Зависит от мер по использованию вторичного тепла; касается только плавления; курсивом
обозначены данные, взятые из [49]
4
Единицы «на тонну Al» относятся к тонне расплавленного алюминиевого сплава
5
Зависит от конструкции горелки и эксплуатационных характеристик
6
Зависит от мер по использованию вторичного тепла; касается только плавления
Источники информации: внутреннее исследование VDG; Aluminium Taschenbuch, Band 2, 17. Auflage,
Aluminium Verlag GmbH, Düsseldorf, 1996; Вторичная переработка алюминия, Aluminium Verlag GmbH,
Düsseldorf, 2000; [49]; комментарии CTIF
7.3.2 Шахтная печь
На входе
алюминиевые
болванки,
возвращаемые отходы литейного
производства
энергия
продукты раскисления и удаления
газов
На выходе
расплавленный алюминий
пыль
NOx, CO
использованная футеровка
На основании указанных ниже предположений, были предложены коэффициенты
эмиссии для выбросов на тонну качественного литья:
- средний выход расплавленного металла 70%
(литье/расплавленный
металл)
- средний объем литейного скрапа
5%
(скрап от доводки/литья);
-общий выход металла = 66,5 %
(качественное
литье/расплавленный
металл);
В Таблице 7.19 указываются данные по потреблению и выбросам на тонну
качественного литья для шахтной печи мощностью 3 т/час. В ней также приводятся
уровни выброса неочищенного отходящего газа.
Таблица 7.19 - Потребляемые ресурсы и отработанные материалы для плавления
алюминия в шахтной печи [50]
Потребляемые ресурсы
Количество
на тонну
1503 кг/т
717 кВтчас/т
172 кВтчас/т
889 кВтчас/т
Алюминиевые болванки
Природный газ
Электрическая энергия
Общее потребление энергии
Отработанные материалы
Шлак (с 35 – 40 % Al)
40,3 кг/т
Отработанная футеровка
0,3 кг/т
Выбросы (без очистки отходящего газа)
Частицы
0,12 кг/т
NOx
0,18 кг/т
Летучие органические вещества
0,12 кг/т
SO2
0,04 кг/т
166
Количество на
Нм3
112 мг/Нм3
113 мг/Нм3
П-ООС 17.02-02-2012
СО
150 мг/Нм3
Pb + Cr + Cu
0,98 мг/Нм3
Cd + Hg
0,01 мг/Нм3
As + Ni
0,03 мг/Нм3
Данные являются расчетными значениями на тонну качественного
литья
В Таблице 7.20 приводятся уровни потребления шахтной печи мощностью 2
тонны при плавлении алюминия.
Таблица 7.20- Результаты 6-дневной пробной плавки в шахтной печи мощностью 2
тонны для Al [18]
Общее измеренное потребление
Садки металла
Слитый металл
Потери металла
Удаленный скарп
Потребление газа
115332 кг (54% болванки, 46% лом)
113983 кг
1349 кг
1412 кг
92786 кВтчас
Удельное потребление на
тонну загруженного
металла
1 тонна
0,988 кг/т
0,012 кг/т – 1,2%
0,012 кг/т – 1,2%
804 кВтчас/т
7.3.3 Индукционная печь
На входе
алюминиевые
болванки,
возвращаемые отходы литейного
производства
электрическая энергия
охлаждающая жидкость
На выходе
расплавленный алюминий
пыль
использованная футеровка
Плавильная мощность индукционных печей для алюминия, как правило,
находится в диапазоне от 500 кг до 2 тонн. Такие печи работают на частоте в 250 –
1000 Гц.
Так например, на одной установке, два опрокидывателя со стальной оболочкой и
плавильной мощностью 1,5 тонн запитываются от электричества мощностью 1250
кВт и частотой 250 Гц. У них имеется переключатель, который позволяет включать
печи попеременно. С этой системой 1,5 тонны могут быть расплавлены за 40 минут.
Индукционные печи являются энергоэкономичными устройствами для
плавления. Потребление энергии при их работе определяется плотностью загрузки и
применяемой технологией. Периодическое плавление менее эффективно по
сравнению с использованием зеркала расплавленного металла. Наиболее
эффективным является 50% зеркала ванны. Потребление энергии изменяется от
540 кВтчас/т для садки из насыпного лома с высокой плотностью (небольшого
размера металлолом и болванки), до 600 кВтчас/т, если расплавляется металлолом
с меньшей плотностью (такой как отходы из машины для литья под давлением и
болванки). И хотя энергии потребляется немного, расходы на плавку могут быть
более высокими, чем у печей со сжиганием газа. Это объясняется тем, что
электричество, в общем случае, является более дорогим источником тепла. [4] [49]
Для катушки индукционной печи требуется система охлаждения. Охлаждающая
жидкость может циркулировать по замкнутому контуру или в открытой
испарительной системе.
167
П-ООС 17.02-02-2012
7.3.4 Печь со сводовыми радиационными нагревателями (печь
сопротивления)
Такие печи с нагревом за счет сопротивления являются кокильными печами,
чаще всего применяющимися для алюминиевых сплавов. Выбросы зависят от
используемого металла, температуры выдерживания, площади поверхности,
«металл вылили» - «металл залили» и особенно от времени выдерживания.
Выбросы столь незначительные, что никаких измерений не найдено. [7]
7.3.5 Подовая печь
Подовые (или отражательные) печи бывают разных размеров и форм. Большие
подовые печи позволяют производить быстрое плавление и могут вмещать
объемные шихтовые материалы, но прямой контакт между пламенем и шихтовым
материалом может приводить к большим потерям металла, поглощению металлом
газа и значительному загрязнению оксидами. К тому же контроль температуры
может оказаться затруднительным. Этот тип печей используется мало по причине
его сравнительно низкого термического кпд (приблизительно 1100 кВтчас/т). Также
подовые печи используются для плавления сплавов меди (смотрите Раздел 3.7.1).
[4]
В Таблице 7.21 указываются данные по выбросам у подовой печи для плавления
алюминия, ее мощность составляет 450 кг/час, и она работает без системы очистки
топочного газа.
Таблица 7.21 - Данные по выбросам у подовой печи для плавления алюминия,
работающей на жидком топливе [51]
Компонент
Уровень выброса
Массовый расход
Годовой массовый
(мг/Нм3)
(г/час)
расход (т/год)
О2
17,6%
СО2
2,2%
СО
<4
<24
<0,0438
NOx
45
270
0,4928
SO2
13
78
0,1424
пыль
1
6
0,011
общий органический
5
30
0,0548
углерод
Al
0,092
0,552
0,001
3
Поток топочного газа: 6000 нМ (сухого); количество рабочего времени: 1825 час/год
7.3.6 Тигельная печь (печь сопротивления и работа основе сгораемого
топлива)
На входе
Алюминиевые
болванки,
возвращаемые
отходы
литейного
производства или жидкий алюминий,
если печь используется в качестве
выдерживающей
электрическая энергия или топливо
На выходе
расплавленный алюминий
пыль
Тигельные печи имеют косвенный подогрев от горелок, сжигающих топливо, или
от электрических резисторов. Что касается печей, работающих на сжигании топлива,
то их термический кпд не такой высокий, как у других плавильных печей.
Объясняется это трудностями использования тепла от сгорающих продуктов. Они
168
П-ООС 17.02-02-2012
сравнительно недорогие. А так как пламя не вступает в контакт с расплавленным
металлом, потери металла оказываются меньше, и качество расплава получается
более высоким. Кроме того, легко производить изменения в составе сплава. [4]
Количество твердых частиц для алюминиевых сплавов можно грубо принять
равным 0,3 кг на тонну расплавленного металла. [21]
В Таблице 7.22 приводятся данные по потреблению и выбросам на тонну
хорошего литья у тигельной печи для плавления алюминия мощностью 3 т/час.
Таблица 7.22- Данные по потреблению и выбросам у тигельной печи для
плавления алюминия [50]
Потребляемые ресурсы
Природный газ
538 кВтчас/т
Электричество
414 кВтчас/т
Общий подвод энергии
952 кВтчас/т
Отработанные материалы
Шлак
61 кг/т
Огнеупорная керамика
6,87 кг/т
Выбросы (после рукавных фильтров)
NOx
0,18 кг/т
SO2
0,04 кг/т
Летучие органические вещества
0,12 кг/т
Пыль
0,12 кг/т
Все данные являются значениями в пересчете на тонну качественного литья
7.3.7 Обработка расплавленного алюминия
Потребление модифицирующих реактивов, добавок, измельчающих зерно, а
также флюсов зависит от типа сплава, но в общем случае составляет порядка 100 г
– 1 кг на 50 кг расплавленного металла.
7.4 Плавление и литье меди и медных сплавов
7.4.1 Элементы плавления и литья
Плавление меди и медных сплавов, как правило, выполняется в кокильных
печах. Обычно эти печи работают со следующими параметрами:
- загрузка:30 – 1800 кг
- мощность: 30 – 400 кг
- потребление энергии (жидкое топливо) - 0,4 л/кг
- потребление энергии (бутан) - 0,3 Нм3/кг
Также используются индукционные печи со средними частотами, с применением
глиноземной футеровки.
В Таблице 7.23 приводится типичный баланс массы для литья латуни при
изготовлении кранов. Данные приводятся для совмещенных операций по плавлению
и литью под низким давлением (но без чистовой обработки поверхности отливок и
изготовления стержней). Все данные указываются в пересчете на тонны
реализованных качественных отливок. Они также относятся к плавлению в
тигельной печи с газовым обогревом мощностью 1 т/час.
Таблица 7.23 - Данные по балансу массы для литья латуни под слабым давлением
(операции по плавлению и литью под давлением) [50]
Потребляемые ресурсы
169
П-ООС 17.02-02-2012
Электрическая энергия
1360 кВтчас
Пропан
14
Сжатый воздух
48 кВтчас
Вода
85,7 л
Пластины для удаления газов
0,6 единиц
Восстанавливающие реагенты
0,9 единиц
Сплав меди
0,44
Покровный флюс
0,31
Литейные стержни
286
Графитовая краска
3,4
На выходе
Незалитый песок
101
Залитый песок
6,7
Графитовая краска
61,41
Цинковая пыль
0,075
Шлак
36,3
Латунный скрап
57,1
Мелкая латунная стружка
18,4
Выбросы (без очистки топочных газов)
Пыль
3,9
Летучие органические вещества
3,3
SO2
0,1
NOx
0,03
Медь
0,081
Цинк
26,3
Все данные приводятся в пересчете на тонну полученного
литья, значения даны в кг, если не указано иное
Если говорить о сплавах меди, то количество выбрасываемых твердых частиц во
многом зависит от содержания цинка в сплавах. В качестве руководства, данные в
Таблице 7.24 показывают соотношение между количеством выбрасываемых
твердых частиц и содержанием цинка.
Таблица 7.24 - Выбросы твердых частиц из кокиля при плавлении сплавов меди
[21]
Бронза
Латунь
Содержание Zn
(%)
0–7
20 – 40
Выброс твердых частиц
(кг на тонну расплавленного металла )
0,3 – 1,5
0,5 – 16
Производство шлака и дросса составляет приблизительно 60 кг на тонну
расплавленного металла. Такие же значения будут и для индукционных или
тигельных печей, причем для различных сплавов меди. Химический состав шлака
зависит от типа расплавляемого сплава. В общем случае содержание меди
находится в диапазоне 45 – 55 %. Постоянное качество шлака может быть
достигнуто за счет особого смешения различных типов шлака от литейного
производства. Такое постоянное качество требуется для внешней переработки
отходов.
Производство отработанной огнеупорной керамики составляет 8 – 9 кг на тонну
расплавленного металла для индукционного плавления и 7,5 кг на тонну
расплавленного металла для подовых печей на жидком топливе [22].
170
П-ООС 17.02-02-2012
7.4.2 Очистка расплавленной меди и медных сплавов
Для очистки могут служить особые пластины или брикет. Дегазация, как правило,
занимает 3 – 10 минут, в зависимости от объема расплава. Точное количество
необходимого
восстанавливающего
реагента
определяется
используемой
технологией плавления. [4]
7.5 Очистка газообразных отходов
7.5.1 Системы снижения степени загрязнения
В литейном производстве используются различные технологии очистки
отработанных и выхлопных газов. Их принципы описываются в документе BREF для
производства цветных металлов. В Таблице 7.25 указаны свойства и уровни
выбросов для систем снижения степени загрязнения пыли. Полное обсуждение
выбора технологии снижения степени загрязнения, ее применения в различных
литейных процессах и достигаемые уровни предлагаются в Разделе 6.5 как часть
методик, которые должны быть приняты во внимание при выборе наилучшего
доступного технического метода (НДТМ).
Таблица 7.25 - Пример действующих уровней выбросов у некоторых систем
снижения степени загрязнений. [52]
Технология
Размер
частиц
(мкм)
Эффективност
ь сбора при 1
мкм (%)
Максимальная
рабочая
температура (°C)
450
Диапазон
достигаемых
выбросов
(мг/Нм3)
5 – 15
предварительное
снижение
степени
загрязнения >50
1–5
визуально
чистый
Горячий ЕО
<0,1
>99
в зависимости
от дизайна
Мокрый ЕО
0,01
<99
80
Циклонный
уловитель
10
40
110
100 – 300
Рукавный
фильтр
0,01
>99,5
220
1–5
Мокрый
газоочиститель
1–3
>80 – 90
На входе 1000
на выходе 80
4 – 50
Комментарии
4 или 5 зона
обычно
применяется
для
предварительного
снижения степени
загрязнения
ЕО с 2 последовательными
зонами.
В
основном
осаждение туманов
Крупные частицы.
Используется
как
вспомогательный
для
других
способов
Хорошие
показатели
при
соответствующем
типе пыли
Хорошие
показатели
при
соответствующей
пыли.
Снижение
компонентов
кислых газов
ЕО - электрический электроосадитель
171
П-ООС 17.02-02-2012
7.5.2 Диоксины
Во время процессов плавления могут образовываться диоксины, если в одно и то
же время и в одном и том же месте процесса присутствуют условия, которые делают
возможным возникновение подобных загрязняющих веществ. Такими условиями
являются следующие:
- присутствие ионов соляной кислоты, которые могут появиться из-за
загрязненного металлолома, из-за использования угля, кокса, жидкого топлива или
некоторых флюсов;
- наличие органического углерода – он может появиться из-за загрязненного
металлолома и угля, кокса или нефтепродуктов, используемых в качестве жидкого
топлива;
- температурные условия между 250 ºC и 450 ºC, при достаточном времени
пребывания газа в этом температурном интервале;
- наличие катализаторов, таких как медь;
- присутствие кислорода.
При оценке рисков появления диоксинов следует делать различия между литьем
цветных или черных металлов.
Литье цветных металлов. Если плавятся только болванки и внутренний
скрап, риск появления диоксинов на стадии плавления невысок. При плавлении
чистых цветных металлов отсутствуют хлорин и углерод, необходимые для
(повторного) образования диоксина. Тем не менее, переплавка материалов из
внешнего цветного скрапа для производства металла может вызвать риск появления
диоксина. Однако этот случай уже выходит за рамки данного документа и
рассматривается в [52]
Литье черных металлов. Условия для образования диоксинов могут
возникнуть в зависимости от типа печи и загрузки металла. С учетом высоких
температур в плавильных печах, выбросы диоксина (если вообще таковые
произойдут) в основном будут образованы за счет нового синтеза. Указанные выше
условия могут быть использованы для оценки рисков образования диоксина.
Данные по выбросам диоксина были собраны от большого количества
источников. В Таблице 7.26 представлены данные для различных металлов и типов
печей. Пропуски означают, что обозначенный параметр не был указан. Во всех
системах в обзоре не оговариваются конкретные технологии улавливания диоксина.
Необходимо делать различия между двумя группами технологий, когда уровни
диоксина очень низкие (<0,05 нг/Нм3) или охватывают широкий диапазон (<0.01 – 3
нг/Нм3). К первой группе относится плавление алюминия, индукционное плавление
чугуна и плавление стали в EAF. Во вторую группу входит плавление чугуна в
вагранке и роторной печи. Анализ данных, указанных в литературе, не позволяет
определить причины различий во второй группе. Тем не менее, можно заметить, что
в представленных вагранках для горячего дутья с системой мокрой очистки уровни
выбросов PCDD/F значительно ниже.
Таблица 7.26- Данные по выбросу диоксина для различных типов литейных
производств [3], [7], [13], [53]-[56]
Тип
продукции
Алюминий
Алюминий
Алюминий
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
172
Печь
Подовая
Подовая
Шахтная
ВХД
ВХД
ВХД
ВХД
Мощность
(тонн/час)
нет данных
0,45
1,5
3,4
3,7
4,5
3,4
Топочный
газ (м3/час)
нет данных
9300
8400
15900
14300
14300
нет данных
Очистка
Нет
Нет
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
О2
(%)
нет данных
18,8
18,4
нет данных
16
нет данных
нет данных
PCDD/F
(нгTEQ/Нм3)
0,002
0,002
0,01
0,04
0,09
0,09
0,33
П-ООС 17.02-02-2012
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Чугун
Сталь
Сталь
ВХД
ВХД
ВХД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ВГД
ИП
ИП
КП
КП
КП
КП
EAF
EAF
5,5
6,5
6
45,5
60
40,6
50
15
13
18,2
17,1
27
28
21
19,5
нет данных
8
1,4
2,1
3,5
5,4
9
17400
17500
27600
55000
нет данных
75000
75000
36400
нет данных
29100
22500
нет данных
37000
32000
208000
нет данных
нет данных
9000
18600
нет данных
54150
5000
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
Р.фильтр
Дезинтегратор
Дезинтегратор
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
Р.фильтр
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
Р.фильтр
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
15,9
нет данных
нет данных
6
нет данных
12,5
нет данных
нет данных
нет данных
8,6
7,5
нет данных
нет данных
нет данных
20,2
нет данных
нет данных
нет данных
19,9
нет данных
20,9
нет данных
0,51
0,51
3,14
0,003
0,003
0,05
0,07
0,05
0,10
0,20
0,29
1,00
2,08
3,09
0,003
0,01
0,004
0,02
0,45
0,61
0,003
0,02
Нет
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
Рукав. фильтр
Мокрая
очистка
ВХД - вагранка для холодного дутья; ВГД - вагранка для горячего дутья; КП - роторная печь; ИП индукционная печь; EAF - дуговая электропечь
Далее описываются данные по выбросам диоксина для различных печей,
плавящих черные металлы.
- Вагранки. В вагранках всегда присутствует огромный избыток хлора из кокса.
Также из-за кокса присутствует достаточное количество углерода, но может
потребоваться дополнительное введение углерода в случае, вызванным плохим
качеством скрапа. При определенных условиях эксплуатации могут возникнуть
причины для образования диоксина. Так как новый синтез, в основном, происходит
во время охлаждения отходящего газа, - это относится к вагранкам как для горячего,
так и для холодного дутья. В Таблице 7.27 предлагаются результаты
статистического анализа всех данных измерений из Таблицы 7.26 для ВХД и ВГД. В
то время как в Таблице 7.26 указываются средние значения по установке, в Таблице
7.27 отдельные измерения были использованы для проведения общего анализа.
Таблица 7.27 - Выбросы диоксина вагранками [3], [7], [13], [53] - [56]
Среднее
Стат. отклонения
Срединное
Минимум
Максимум
Количество измерений
Количество печей
Единицы
нгTEQ/Нм3
нгTEQ/Нм3
нгTEQ/Нм3
нгTEQ/Нм3
нгTEQ/Нм3
Холодное дутье
0,54
1,08
0,18
0,001
5,1
35
11
Горячее дутье
0,75
1,3
0,09
0,001
4,4
18
11
Данные обзора из Германии (6 установок, 18 измерений) показывают разброс в
0,006 – 0,22 нгTEQ/Нм3 при среднем значении в 0,0724 нгTEQ/Нм3 (0,0608 i-TEQ/
Нм3). Набор данных из обзора частично совпадает с набором данных, указанных
выше, но не дает достаточной информации для расширения последнего. [57]
Данные показывают, что среднее значение, стандартное отклонение и разброс
значений одинаковые как у вагранок для холодного дутья, так и у вагранок для
173
П-ООС 17.02-02-2012
горячего дутья. Срединное значение у вагранок для горячего дутья ниже, чем у
вагранок для холодного дутья. Это подтверждает высказывание из [57] о том, что
нет статистической разницы между выбросами диоксина вагранками для холодного
или горячего дутья. Высокое стандартное отклонение указывает на то, что данные
должны быть интерпретированы на основе «установка за установкой», а не на
усредненном основании.
Что касается мокрой очистки от пыли, то отходящий газ проходит через диапазон
критических температур (250 – 450 ºC) после очистки от пыли, т.е. с низким
содержанием пыли. К тому же соли соляной кислоты были уже вымыты. Это
серьезно снижает риск нового синтеза.
Роторные печи. По причине ограниченных возможностей по созданию сплавов,
загрузка роторной печи, в основном, состоит из чистого материала. Благодаря
высокой температуре пламени, горячие газы покидают печь при температурах в
диапазоне от 1000 ºC до 1300 ºC. Внутри объема печи происходит последующее
дожигание. Новый синтез возможен, если топочные газы охлаждаются медленно.
Разброс предоставленных данных составляет от 0,004 до 0,61 нгTEQ/Нм3.
Индукционные печи. По причине ограниченных возможностей по созданию
сплавов, загрузка индукционной печи, в основном, состоит из чистого материала.
Более того, печь не создает направленного высокотемпературного потока медленно
остывающих топочных газов.
Дуговые электропечи. EAF-печи допускают очистку расплава и образование
сплавов, если эксплуатируются с применением базовой технологии футеровки. Это
позволяет использовать загрязненный металлолом в качестве сырья для плавления.
Если загружается скрап, содержащий органические и/или хлорсодержащие
компоненты, то при охлаждении потока топочных газов могут образовываться
диоксины. Это может происходить при использовании металлолома, например, из
электронного оборудования, трансформаторов и разрезанных машин. При
использовании технологии с кислой футеровкой EAF не допускает очистки металла
и, таким образом, возможность подачи загрязненного металлолома снижается. А это
также снижает риск образования диоксина. [15].
7.6 Производство литейных форм и стержней
7.6.1 Введение
Производство литейных форм и стержней подразумевает использование песка с
различными химическими веществами, иногда сопровождающееся последующим
нагревом. Происходит выброс газообразных и летучих продуктов реакции, а также
избыточных реагентов. В Таблице 7.28 представлен обзор выбросов и прочих
сильных воздействий на окружающую среду во время смешивания, затвердевания и
хранения литейных форм и стержней. В последующих разделах приводятся
дальнейшие обсуждения уровней выбросов и потребления для каждого из типов
связующих веществ.
Таблица 7.28 - Значительные воздействия на окружающую среду со стороны
систем связующих веществ [4], [21], [58], [59]
Название системы и
составные
части
связующих веществ
Зеленый песок
Глина
Угольная
пыль
заменитель
174
или
Метод
отверждения
и
соответствующие
потребности
в
энергии
Выбросы в воздух
во
время
смешивания
и
затвердевания
Давление –
Низкие
Твердые частицы –
без
значительных
выбросов
в
Прочие сильные воздействия
на окружающую среду
Просыпание
песка
вокруг
конвейера
необходимо
предотвращать, чтобы снизить
возможность
поступления
П-ООС 17.02-02-2012
Вода
Оболочный песок
Фенол – формальдегид
(Novalak) формовочная
смола
Щелочная фенольная
Резол
–
Щелочная
фенолформальдегидная
смола
1. Отверждение
газом
(щелочная фенольная
холодный
стержневой
ящик)
2. Самостоятельное
затвердевание
(щелочная фенольная
без обжига)
Фенольная
Уретановая
1. Отверждение
газом
(холодный стержневой
ящик)
окружающую среду
Нагрев - высокие
Формальдегид*
Аммиак*
Фенол*
Ароматические
соединения HCN
Отверждение
газом с парами
метил формиата –
низкие
Формальдегид*
Фенол*
Метил формиат
Отверждение на
холоде с эфирами
- низкие
Пары амина
низкие
–
Формальдегид*
Фенол*
Эфиры
полиуретан
(изоцианат) (MDI)
Амин*
Формальдегид*
Фенол
2. Самостоятельное
затвердевание
(щелочная фенольная
без обжига)
Самостоятельное
затвердевание с
замещенным
пиридином
полиуретаны
(изоцианаты) (MDI)
Формальдегид*
Фенол
Фурановая
Комбинации смол из:
Фенола
Мочевины
Фурфурилового спирта
Формальдегида
Нагреваемый
стержневой ящик
Комбинации смол из:
Фенола
Мочевины
Фурфурилового спирта
Формальдегида
Отверждение
холоде
кислотами
низкие
Формальдегид*
Фенол*
Фурфуриловый
спирт*
сероводород
кислотные туманы
Формальдегид*
Кислоты
Фурфуриловый
спирт* Фенол*
Мочевина
изоциановая
кислота
метилполиуретан
(метилизоцианат)
Песчано-масляная
смесь
Нагрев – высокие
на
с
-
Нагрев - высокие
загрязняющих
веществ
в
атмосферу
вне
системы
дымовых труб.
Защита от загрязнений у
процессов
смешивания
незначительная (как правило,
процесс изолированный, с
наддувом
вытесненного
воздуха в процессе литья)
Запах
может
создавать
проблемы,
так
как
оболочковые
формовочные
машины
обычно
высвобождаются на воздухе.
Акролеин*
Сложные
Часто
запах
является
проблемой – где используется
(диметилэтаноламин) DMEA,
образуются
неприятные
запахи,
и
защита
от
загрязнения
должна
быть
существенной. Это может быть
сжигание отходов или очистка
газов
(с
использованием
серной
или
фосфорной
кислоты) – в последнем случае
образуются щелочи, а это
особые отходы.
При
использовании
триэтаноламина
требуется
только мокрая очистка газа,
если возникают проблемы
запаха.
Необходимо
содержать
отдельно смолы и кислоты
(если
отсутствует
песок),
потому что они вступают в
интенсивную экзотермическую
реакцию при соединении
Запах
может
создавать
проблемы,
так
как
оболочковые
формовочные
машины обычно очищаются на
воздухе.
Запах
может
создавать
проблемы, так как стержневые
175
П-ООС 17.02-02-2012
льняное
масло
крахмал
Процесс СО2
силикат натрия
и
органические
соединения
Нет
машины часто очищаются на
воздухе.
Отверждение
газом
с
применением СО2
– низкие
Силикат эфир
Отверждение на Эфиры
силикат натрия
холоде с эфирами
– низкие
Примечание 1: Во время всех указанных выше процессов образуются отходы песка (включая
сломанные стержни, просачивание и остатки в смесителе), которые могут пригодиться для засыпки
земли.
Примечание 2: Вещества, обозначенные * приводят к образованию неприятных запахов от процессов,
к которым они относятся.
Примечание 3: Любой связующий компонент на основе смолы следует рассматривать в качестве
особых отходов с точки зрения утилизации. При проливе он может привести к риску заражения
водной системы.
Примечание 4: Амины и метилформиаты, использующиеся при отверждении газом, обладают
сильной воспламеняемостью и неприятными запахами. Очень важно предотвращать протекания при
хранении
В обзоре итальянских литейных производств были собраны данные по
качественному составу выбросов пыли в литейных цехах. Результаты предлагаются
в Таблице 7.29 Все системы очистки отработанных газов достигают уровня <15
мг/Нм3.
Таблица 7.29 - Значения выбросов и интенсивность выбросов при выбросах пыли
в плавильных цехах после очистки отработанных газов [45]
Концентрация (мг/Нм3)
СредМинимум
Максиняя
мум
3,2
0,4
12,1
5,2
3,6
6,7
9,6
8,5
10,9
Интенсивность выбросов (г/т)*
СредМинимум
Максиняя
мум
24,4
0,5
108,3
6,2
4,0
8,0
34,2
30,1
39,9
Рукавный фильтр
Мокрая очистка
Мокрая
система
Вентури
Единицы: г на тонну хорошего литья
Количество измерительных точек: рукавный фильтр: 33; мокрая очистка: 4; мокрая
система Вентури: 3
Выбросы, указанные в Таблице 7.28, относятся к стадиям смешивания,
затвердевания и хранения форм и стержней. Большинство выбросов устойчиво
образуется во время заливки металла и на стадиях охлаждения литья, но теперь
уже с добавлением продуктов пиролиза. Это будет рассмотрено в Разделе 3.10.1.
В Таблице 7.30 приводятся данные от проведенной немецкой кампании по
измерениям выбросов пыли. Анализ пыли производился по фракциям ТЧ10, ТЧ2,5 и
ТЧ1.
Таблица 7.30 - Примеры выбросов пыли и размеров частиц при производстве
литейных форм и стержней [7]
Действия
Подготовка песка
Подготовка зеленого
176
Объем
отходящего
газа
(Нм3/час)
25600
24400
Оборудование
для очистки газа
Рукавный
фильтр
Вытяжной
Общее
количество
пыли
(мг/м3)
0,3
ТЧ10
(%)
ТЧ2,5
(%)
0,7
88
38
ТЧ1
(%)
П-ООС 17.02-02-2012
песка
Подготовка песка
Цех литейных
стержней
Цех литейных форм
Окончательная
обработка
колпак,
рукавный
фильтр
70400
Электрофильтр
4670 (сухой) Мокрый
аминоуловитель
52300
Рукавный
(сухой)
фильтр
22000
Рукавный
(сухой)
фильтр
22 – 28,3
0,7
79
98
0,7
95 –
97
00
5,3
18
47 –
62
50 –
60
45 –
48
2–
5
9
7.6.2 Плавление с использованием песка на глиняной связке (плавление с
использованием зеленого песка)
Потребляемые ресурсы
На выходе
- песок
- сырые литейные формы
- цементирующая глина (например,
- пыль (силикатная мелочь, частично
бентонит)
выгоревшая
глина,
несгоревшая
- угольная пыль, декстрин
угольная пыль и зола)
- вода (для подготовки формовочной
смеси)
Состав бентонита, добавляемого к песку, зависит от характерных свойств как
песка, так и бентонита, а также от необходимой прочности газовой проницаемости
изготовленной формы. В Таблице 7.31 указываются некоторые параметры песка на
глиняной связке, полученные от 105 образцов песка, взятых на выбор на
чугунолитейных заводах.
Таблица 7.31 - Типичные свойства зеленого песка, замеренные у 105 образцов
песка со 105 чугунолитейных заводов [30]
Параметр
Содержание
воды
Содержание
бентонита
Плотность
Растопочные
потери
Прочность
на сжатие
Единицы
Среднее
% образцов в
пределах среднего
± 10 %
Диапазон
%
3,4 – 4,5
48
%
4,1
%
8,3
7,5 – 9,1
г/см3
0,940
%
5,0
Н/см2
18,6
Максимальное Минимальное
значение
значение
6,9
2,4
45
11,9
5,6
1,00 –
0,85
4,5 – 5,5
75
1,06
0,73
20
15,0
1,0
16,7 –
20,5
54
24,5
13,2
В смесь зеленого песка также добавляются следующие присадки:
- Угольная пыль. Как правило, используется на чугунолитейных заводах, но
также, хотя и в меньшей степени, при литье некоторых цветных металлов. Уровни
угольной пыли в зеленом песке изменяются в диапазоне от 2 или 3% для
небольшого литья до 7 или 8% для производства толстостенных отливок. Слишком
большое количество угольной пыли может привести к возникновению отверстий в
литье или к дефектным отливкам. Существуют различные продукты для замещения
177
П-ООС 17.02-02-2012
угольной пыли. В основном они подмешиваются несколько в иных концентрациях по
сравнению с угольной пылью.
- Крепители на основе крахмала. Крахмал и декстрин, как правило,
используются в сталелитейном производстве для предотвращения дефектов,
вызванных увеличением количества силикатов, а также для контроля избыточной
влажности в песчаной смеси. Наиболее эффективны добавки крепителей на основе
крахмала в новые облицовочные смеси из зеленого песка в объеме 0,5 и 0,75%. В
секционных зеленых песках часть крахмала разрушается во время процесса литья.
Рекомендуется на каждый повторный цикл добавлять от 0,1 до 0,25%, в зависимости
от выгоревшего крахмала, а также от разбавления стержнями и новым песком.[3],
[10].
7.6.3 Изготовление форм с использованием несвязанного песка (V-процесс)
Потребляемые ресурсы
На выходе
- сухой песок
- литейные формы
- полиэфирные (полиэтиленовые)
- пыль
полотнища
- энергия (создание и поддержание
вакуума)
Тепловой удар, производимый при контакте с расплавленным металлом,
разрушает зерна песка, порождая пыль, которая, в основном, выбрасывается во
время выбивки. Оставшуюся в песке пыль необходимо удалять, чтобы обеспечить
повторное использование песка для изготовления литейных форм. Если
придерживаться данного метода, то лишь небольшое количество пыли должно
образовываться во время заполнения литейных ящиков.
Этот способ интересен своим очень малым воздействием на окружающую среду.
Тем не менее, его производственный цикл состоит из множества стадий, поэтому
скорость литья низкая и существует большой временной интервал между началом
каждого нового отличающегося литья. Как следствие, данный процесс имеет лишь
ограниченное применение.
7.6.4 Изготовление форм и стержней с использованием химически
связанного песка
Потребляемые ресурсы
- песок
- смола
катализатор,
отвердитель,
присадки
На выходе
- песчаные литейные формы и
стержни
- избыточные реактивы
- продукты реакции
- пыль
7.6.4.1 Уровни потребления химических веществ
В Таблице 7.32 приводятся уровни потребления различных типов связующих
веществ, отвердителей, катализаторов и присадок.
Таблица 7.32 - Уровни потребления различных смол, катализаторов, отвердителей
и присадок для приготовления химически связанного песка [3], [10]
Тип
отверждения
178
Тип смолы
Добавление
смолы
% от веса
Тип
катализатора
/ отвердителя
Добавление
катализатора
/ отвердителя
Тип
присадок
Добавление
присадок
% от веса
П-ООС 17.02-02-2012
песка
Отверждение на
холоде
Тип
отверждения
Отверждение газом
Термическое
твердение
% от веса
песка
25 – 60
Фуран
0,8 – 1,5
Сульфокислота
Фенольная
1–2
25 – 50
Полиуретановая
Резол
0,8 – 1,5
1,0 – 1,5
Сульфокислота
Производные
пиридина
Эфир
Алкидная
масляная
Эфирная
силикатная
Тип смолы
1,0 – 2,0
Изоцианат
18 – 20
2,0 – 4,5
Эфир
10 – 15
Добавление
смолы
% от веса
песка
0,8 – 1,2
Тип
катализатора
SO2
Добавление
катализатора
% от веса
песка
0,3 – 3
1,0 – 1,8
Амин
0,05 – 0,15
1,2 – 1,8
0,3 – 0,5
0,7 – 1,25
Фенольная /
Фуран
Полиуретан
Холодный
ящик
Резол
2–6
22 – 25
песка
Силан
0,1 – 0,2
не
касается
не
касается
не
касается
Катализатор
не
касается
Тип
присадок
не касается
Перокси
д
не
касается
не касается
не касается
0,002 – 0,2
не касается
Добавление
присадок
% от веса
песка
0,1 – 0,5
не касается
Резол
2 – 2,5
метилформиа
т
СО2
не
касается
не
касается
Перокси
д
не
касается
не
касается
не касается
Акриловая/
Эпоксидная
Силикатная
1,2 – 1,6
SO2
0,02 – 0,05
2–4
СО2
1–2
масляная
0,8 - 4
Теплый
ящик на
фурфуриловом спирту
Горячий
ящик
фенольная
или на
основе
фурана
Кронинг
фенольная
1,0 – 1,5
Медные соли
сульфокислоты
10 – 30
не
касается
не касается
1,2 – 3,0
Соли
аммония
10 – 25
не
касается
не касается
1,5 – 5
Гексаметилен
тетрамин
15
не
касается
не касается
не касается
0,05 – 0,06
не касается
не касается
7.6.4.2 Коэффициенты вредности производства
Использование химических связующих веществ приводит к образованию
различных химических компонентов во время смешивания, изготовления форм и
стержней, хранения, разливки и охлаждения, как указывается в Таблице 7.30. В
таблицах 7.33 и 7.34 приводятся некоторые индикативные коэффициенты вредности
производства для определенных процессов.
Таблица 7.33 - Коэффициенты вредности производства при изготовлении
литейных форм [13]
Органические
Фурановый песок
1,4
Фенольный песок
1,25
179
П-ООС 17.02-02-2012
растворители
Фенол
0,02
Формальдегид
0,08
Все числа в кг на тонну расплавленного металла
0,18
0,15
Таблица 7.34 - Коэффициенты вредности производства при изготовлении
литейных стержней [13]
Холодный ящик
Горячий ящик
Пыль
не касается
0,003
Фурфуриловый
0,1
не касается
спирт
Формальдегид
0,01
не касается
Органические
не касается
0,03
растворители
Ароматические
0,12
не касается
растворители
Амины
0,13
не касается
Все числа в кг на тонну расплавленного металла
Опока
0,003
не касается
0,003
не касается
не касается
не касается
7.6.4.3 Выбросы во время процессов отверждения на холоде
Выбросы во время процессов отверждения на холоде могут быть описаны
следующим образом:
- Фенольные. Пары формальдегида и фенола находятся под большим
давлением, поэтому возможны выбросы паров этих компонентов. Но при
температуре окружающей среды происходит полимеризация, давление этих паров
снижается, и с учетом норм потребления, выбросы оказываются незначительными.
- Фурановые. Пары формальдегида, фенола, фурфурилового спирта и спиртов
находятся под большим давлением, поэтому возможны выбросы паров этих
компонентов. Но при температуре окружающей среды происходит полимеризация,
давление этих паров снижается, и с учетом норм потребления, выбросы
оказываются незначительными.
- Полиуретановые. Пары формальдегида, фенола, изоцианата и
ароматических растворителей находятся под большим давлением, поэтому
возможны выбросы паров этих компонентов. Но при температуре окружающей
среды происходит полимеризация, давление этих паров снижается, и с учетом норм
потребления, выбросы оказываются незначительными. В зоне изготовления
литейных форм могут порождаться неприятные запахи, но снаружи они едва ли
вызовут неудобства.
- Резол-эфирные. Смола содержит не вступившие в реакцию фенол и
формальдегид, но их выбросы предельно малы и с точки зрения окружающей среды
не представляют интереса.
- Алкидно-масляные. Во время изготовления литейных форм и стержней
проблем с выбросами нет, если только они не подвергаются термической
вулканизации. В этом случае могут возникнуть проблемы с запахом.
- Эфир-силикатные. Данный процесс не порождает каких-либо проблем с
выбросами.[1]
7.6.4.4 Выбросы во время процессов отверждения газом
Выбросы во время процессов отверждения газом могут быть описаны
следующим образом:
- Холодный ящик. Несмотря на то, что пары формальдегида, фенола,
изоцианата и ароматических растворителей находятся под небольшим давлением,
происходит выброс этих паров в небольших количествах. Наибольший выброс
ароматических растворителей происходит во время продувки. Самые большие
180
П-ООС 17.02-02-2012
выбросы – у аминов, порог определения запаха у которых низкий. Амины – это
опасные вещества со сравнительно низким пределом экспозиционного числа и
обладающие сильным характерным запахом даже в очень низких концентрациях.
- Резол-эфирный. Смола содержит не вступившие в реакцию фенол и
формальдегид, но уровни их выбросов очень низкие, даже во время периодов
выдувания газа и продувки. Метилформиат нетоксичен, не имеет неприятного
запаха и предел экспозиционного числа у него сравнительно высокий.
- Резол-СО2. Смола содержит небольшое количество не вступивших в реакцию
фенола и формальдегида, и уровни их выбросов очень низкие, даже во время
периодов выдувания газа и продувки.
- Фенольная и фурановая смола, отвержденная SO2. Смолы и
подготовленный песок образовывают выбросы формальдегида. Главная проблема
выбросов вызвана сернистым газом, который очень опасен.
- Эпоксидная/акриловая, отвержденная SO2. Во время процесса изготовления
литейных стержней образовываются минимальные выбросы.
- СО2 силикатный. Данный процесс не порождает каких-либо проблем с
выбросами во время изготовления литейных форм и стержней.[1]
7.6.4.5 Выбросы во время процессов горячего отверждения
Выбросы во время процессов горячей вулканизации могут быть описаны
следующим образом:
- Выбросы из горячего ящика. Модели для литья в основном обогреваются
газовыми горелками на открытом воздухе, дающими выбросы сгоревших газов.
Отходящий газ может содержать фенол, мочевину, формальдегид и
моноизоцианаты (если смола содержит азот).
- Выбросы из теплого ящика. По сравнению с горячим ящиком, выбросы
значительно ниже. В них не содержится фенол или мочевина, а выбросы
формальдегида снижены в 4 раза. Так как температура литейных моделей также
ниже той, которая используется в процессах с горячим ящиком, то и
эксплуатационные условия улучшились. Считается, что вредное воздействие на
окружающую среду сравнительно невелико.
- Выбросы из оболочки. По сравнению с процессом с использованием горячего
ящика, потребление отвержденного песка очень низкое. Тем не менее,
предварительно покрытый песок содержит в 2 – 3 раза больше смолы. Но так как
температура литейных моделей приблизительно такая же, то и вредное воздействие
на окружающую среду схожее.
- Выбросы льняного масла. Так как масла часто находятся в органических
растворителях, таких как лигроин или керосин, то при вулканизации может
образовываться большое количество летучих органических веществ. А это может
вызвать снаружи неудобства от запаха. Данная проблема сильнее проявляется при
разливке. Все эти проблемы, а также низкая производительность, являются одними
из причин снижения интереса к использованию данного процесса.[1]
В Таблице 7.35 указывается материальный баланс для цеха по изготовлению
литейных стержней с использованием горячего ящика. Данные были собраны в цеху
по изготовлению литейных сердечников на производстве литья латуни под слабым
давлением. [50]
Таблица 7.35 - Данные по балансу массы у стержней для литья латуни с
использованием процесса, в котором применяется горячий ящик [50]
Потребляемые ресурсы
Новый песок
Электрическая энергия
Пропан
371
352,9 кВтчас
7
181
П-ООС 17.02-02-2012
Сжатый воздух
187,1 кВтчас
Смола
8,3
Стабилизатор
0,51
Катализатор
0,76
Формовочная краска
1,7
На выходе
Стержни
287,7
песок
84,3
Смола
1,41
Металлические и пластиковые контейнеры
Выбросы (после рукавного фильтра)
Выбросы частиц
0,11
Летучие органические соединения
0,83
Все данные указаны на тонну реализованного литья, значения даются в кг, если не
оговорено иное
7.6.5 Нанесение формовочной краски на формы и стержни из химически
связанного песка
Потребляемые ресурсы
На выходе
- формовочные краски, готовые к
- летучие органические соединения
применению, или масса, которую (на спиртовой основе)
необходимо
развести
водой
или
спиртом
тепло
для
выпаривания
растворителя
7.6.6 Литье в невосстановимые формы (Литье по газифицируемым /
цельным моделям)
7.6.6.1 Несвязанный песок – Пенная одноразовая форма
Потребляемые ресурсы
На выходе
- гранулированный пенополистерол
- песчаные литейные модели
- пенополистероловый клей
- отходы пенополистерола
- огнеупорное покрытие
- продукты пиролиза и сгорания
- песок
- пыль
При изготовлении алюминиевого литья расходуется приблизительно 15 кг
гранулированного пенополистерола на тонну хорошего литья. Потребление
огнеупорного покрытия составляет около 20 кг на тонну хорошего литья.
В Таблице 7.36 приводится сравнительный анализ производств литья алюминия
по-сырому и по газифицируемым моделям. Оба производства выпускают по 5490 т
качественного литья в год. Необходимо отметить, что указанные значения не
принимают в расчеты внутреннюю регенерацию. На практике оба типа производств
применяют регенерацию. Таким образом, значительно снижается количество
отходов.
Таблица 7.36 - Сравнительные данные по выработке отходов при литье алюминия
по газифицируемым моделям и по-сырому [60]
Тип отходов
Литье по
газифицируемым моделям
Формовочный песок (без
1,04
182
Литье по-сырому
2,95
П-ООС 17.02-02-2012
внутренней регенерации)
Отфильтрованная пыль
0,056
(без
внутренней
регенерации)
Отфильтрованная пыль
0,056
(с
внутренней
регенерацией)
Отходы
0,0027
пенополистерола
Все значения указываются в кг на тонну качественного литья
0,22
0,61
-
В Таблице 7.37 приводятся данные по органическим компонентам. Они
позволяют сравнить литейное производство алюминия по газифицируемым формам,
изготавливающее 1,5 т/час, с производством литья алюминия по-сырому,
производящим 1,2 т/час. Потребление стержней для холодных ящиков составляет
1,9 т/час. Производство литья по газифицируемым формам было оборудовано
пылеуловительной камерой с рукавными фильтрами и блоком последующего
дожигания. В случае литья по-сырому данные относятся к блоку с
пылеуловительной камерой. Данные показывают, что литье по газифицируемым
формам, использующее более интенсивную очистку топочного газа, имеет более
высокие уровни выбросов BTEX и формальдегида, но явно более низкий уровень
органического углерода. Последующее дожигание отходящих литейных газов
необходимо для разложения продуктов от пиролиза пенополистерола после
разливки.
Таблица 7.37 - Данные по выбросам из дымовой трубы для производств литья
алюминия по-сырому и по газифицируемым моделям [60]
Компонент
Литье по
газифицируемым моделям
35,33
354,67
Литье по-сырому
Бензол
Толуол,
ксилол,
этилбензол, стирол
Неизвестные
96,67
органические компоненты
Всего
органического
857,33
углерода
РАН
1,45
Формальдегид
18,00
Фенол
18,00
Все значения указываются в кг на тонну расплавленного алюминия
8,5
18,58
655,0
1283,33
1,43
2,08
69,83
7.6.6.2 Химически связанный песок – цельная модель
Потребляемые ресурсы
На выходе
-гранулированный пенополистерол
-песчаные литейные модели
-пенополистироловый клей
-отходы пенополистирола
-огнеупорное покрытие
-продукты пиролиза и сгорания
-песок
-пыль
-связующие вещества
Считается, что массовый расход выбросов от процессов литья в цельные и
пустотелые формы будет одинаковым. Это можно видеть на Рисунке 7.4, где
показан массовый расход органического углерода как функция времени после
разливки. Время «0:00»соответствует началу разливки. Данные были собраны при
183
П-ООС 17.02-02-2012
использовании песков, связанных фураном, для изготовления как цельных, так и
пустотелых литейных форм.
Процесс изготовления цельных литейных моделей характеризуется большими
выбросами после разливки. Пик выбросов приходится на первые же минуты после
разливки, затем уровень падает в течение часа. Процесс изготовления пустотелых
литейных моделей характеризуется меньшими начальными выбросами, но зато
снижение уровня происходит медленнее и занимает до 2 часов. Таким образом
выходит, что общее количество выбросов органических углеродов в течение всей
стадии охлаждения оказывается одинаковым для обоих процессов. Дополнительные
измерения показали, что та же картина свойственна для бензола, этилбензола,
фенола и фурфурилового спирта. Для стирола и толуола максимум выбросов
происходит через 15 – 30 минут. Это объясняется начальной конденсацией молекул
на более холодных частях литейной формы. [61]
Рисунок 7.4 - Объем газообразных отходов после разливки в цельные и
пустотелые формы литейный сплав: чугун с пластинчатым графитом; литейная
форма: песок, связанный фураном; 1,9 т песка : 1 т Fe [61]
7.7 Литье
7.7.1 Литье, охлаждение и выбивка с использованием одноразовых форм
7.7.1.1 Уровни выбросов
Потребляемые ресурсы
-готовые литейные формы
-расплавленный металл
184
На выходе
- литье
- использованный песок
-продукты сгорания (от предварительного
подогрева разливочных ковшей)
- органические загрязняющие вещества от
пиролиза
и
термического
разложения
связующего вещества, изложниц чернения и
П-ООС 17.02-02-2012
т.д. (фенол, формальдегид, амин, цианистый
водород, ПАУ, бензол, летучие органические
вещества)
- неприятный запах
- отходы после очистки отработанного
воздуха
- пыль от выбивки
Во время предварительного подогрева разливочных ковшей вырабатываются
газообразные продукты сгорания, как следствие использования природного газа в
качестве общепринятого источника энергии.
Во время разливки могут образовываться следующие типы выбросов:
- термически разлагаемые компоненты, такие как экзотермические шлейфы,
дымы, образующиеся в результате реакций, и/или пары;
- химические компоненты от связующего вещества и некоторых систем чернения,
которые могут высвобождаться в результате термического разложения и/или
улетучивания, например, газообразные продукты сгорания, водяные пары и летучие
органические соединения. Некоторые продукты разложения могут иметь неприятный
запах.
Эксперименты показывают, что максимальные выбросы (относящиеся ко всему
С) происходят в первые 10 минут или чуть больше сразу после разливки. Основным
компонентом является СО, и его уровень представляется индикативным для
высвобождения остальных компонентов. [13]
Во время охлаждения и выбивки продолжаются процессы термического
разложения и образования летучих компонентов, в основном, определяемых
степенью диффузии и испарения.
При удалении (выбивке) песчаных моделей и стержней из литья образуется
много пыли, потому что приходится, по крайней мере, частично разрушать модели.
На стадии вторичного охлаждения нет никаких выбросов от этих заводов за
исключением водяного пара, потому что струя воды используется в качестве
вспомогательного средства для охлаждения. [1]
Типы выбросов во время литья определяются типом используемого связующего
вещества. Эти выбросы сопоставимы с такими же на стадии смешивания, но с
добавлением продуктов пиролиза, появляющимися в момент контакта с горячим
металлом. В Таблице 7.38 предлагаются результаты качественных наблюдений за
выбросами, относящимися к различным типам связующих веществ.
Таблица 7.38 - Воздействие на окружающую среду со стороны систем связующего
вещества после разливки, выбивки и охлаждения [58]
Название системы и
компонентов связующего
вещества
Зеленый песок
Глина
Угольная
пыль
или
заменитель
Вода
Оболочный песок
Фенол – формальдегид
Смола (Novalak)
Выбросы в воздух во время
литья
Комментарии
твердые частицы – копоть
от сгорания угля
оксид углерода и диоксид
углерода
бензол
толуол
ксилол
твердые частицы – копоть
от неполного сгорания смол
на основе угля
Возможны
неприятные
запахи
(скорее
всего
связанные с присутствием
серы в угле)
Преобладают проблемы изза неприятного запаха –
может
потребоваться
185
П-ООС 17.02-02-2012
Фенольная уретановая
Отверждение
газом,
например «Холодный ящик»
-Самостоятельное
отверждение
(фенольный
уретан без обжига)
Фурановая
Комбинированные
смолы
из:
фенол
мочевина
фурфуриловый спирт
формальдегид
Горячий ящик
Комбинированные
смолы
из:
фенол
мочевина
фурфуриловый спирт
формальдегид
Процесс СО2
силикат натрия
Силикатная эфирная
силикат натрия
186
оксиды углерода
фенол*,
крезолы*
и
ксиленолы*
аммиак
альдегиды
бензол
ПАУ
твердые частицы – копоть
от неполного сгорания смол
на основе угля
оксиды углерода
оксиды азота
моноизоцианаты
формальдегид
фенол,
крезолы
и
ксиленолы
ароматические вещества (в
том числе полициклические)
анилины
нафталины
аммиак
твердые частицы – копоть
от неполного сгорания смол
на основе угля
оксиды углерода
фенол,
крезолы
и
ксиленолы
формальдегид
ароматические вещества (в
том числе полициклические)
диоксид серы
аммиак
анилин
изоциановая кислота*
метилизоцианат*
твердые частицы – копоть
от неполного сгорания смол
на основе угля
оксиды углерода
оксиды азота
формальдегид
фенол,
крезолы
и
ксиленолы
ароматические вещества (в
том числе полициклические)
анилин
аммиак
изоциановая кислота*
метилизоцианат*
оксиды углерода
оксиды углерода
парафины
ацетон
уксусная кислота
акролеин
очистка, хотя и распыления
может быть достаточно
Неприятные запахи
вызывать проблемы
могут
Неприятные запахи могут
иногда вызывать проблемы
П-ООС 17.02-02-2012
*Для смолы, содержащей азот (мочевину)
В Таблице 7.39 приводятся коэффициенты вредности производства литья чугуна
в песчаные формы с отверждением на холоде, применяемые в Бельгии.
Таблица 7.39 - Коэффициенты вредности производства литья чугуна в связанные
смолой песчаные формы с отверждением на холоде [13]
Компонент
СО
алифатические гетероциклические углеводороды
ароматические углеводороды
HCN
формальдегид
соединения
серы
(при
использовании
паратолуола
сульфокислоты)
летучие органофосфорные соединения (при использовании
фосфорной кислоты)
Среднее, кг на тонну
расплава
1,1
0,22
0,05
0,03
0,02
0,10
0,11
Коэффициенты вредности производства во время разливки, охлаждения и
выбивки для смешанных песчаных систем были определены в соответствии с
интенсивной программой измерений на двух автомобильных заводах в Мехико.
Заводы, участвовавшие в изучении, производили литье чугуна с использованием
сырых форм и стержней из химически связанного песка. Коэффициенты вредности
производства во многом определяются применяемым процессом. Они отличаются в
зависимости от изменений химического состава литейных форм или стержней,
параметров процесса, таких как время охлаждения, или от применяемой технологии,
например, типа приспособления, использующегося для выбивки. Тем не менее,
полученные коэффициенты вредности производства предоставляют полезную
информацию относительно типа выбросов и соответствующей важности различных
этапов процесса. На Рисунке 7.5 представлены коэффициенты вредности
производства для наиболее значимых обнаруженных загрязнителей воздуха.
Данные указывают на то, что наибольшее количество выбросов происходит во
время выбивки, и лишь небольшие выбросы замечены во время разливки.
Основными источниками выбросов РАН являются нафталин и монометиловые
нафталины. Дальнейший анализ данной категории выявил, что многие
канцерогенные РАН, такие как бензо(а)пирен, не были обнаружены.
Среди металлов в выбросах больше всего присутствуют марганец, свинец,
никель, медь и хром, причем лидируют свинец и марганец. [62]
187
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 7.5 - Уровни выбросов загрязняющих веществ после разливки,
охлаждения и выбивки для литейного производства чугуна по-сырому [62]
На Рисунке 7.6 приводятся коэффициенты вредности производства для твердых
частиц. Они основываются на измерении всей пыли - ТЧ10 (частицы с размерами,
меньшими или равными 10 мкм) и ТЧ2,5 (частицы с размерами, меньшими или
равными 2,5 мкм). Обратите внимание, что ТЧ2,5 подпадает под определение ТЧ10.
[62]
Рисунок 7.6 - Уровни выбросов для твердых частиц после разливки, охлаждения и
выбивки для литейного производства чугуна по-сырому
(Всего = ТЧ10 + ТЧ>10) [62]
188
П-ООС 17.02-02-2012
На приводимых выше рисунках цифры относятся к неочищенному газу. В обзоре
итальянского сектора были собраны данные по выбросам для очищенных
отработанных газов. Они указываются в Таблице 7.40 [45]. Все типы очистки
отработанных газов достигают уровня выбросов <20 мг/Нм3. Наилучшие
характеристики у мокрых скрубберов. Следует, однако, заметить, что данные
основываются только на трех измерениях.
Таблица 7.40 - Значения выбросов и коэффициенты загрязнения производства
для выброса пыли от выбивки после очистки топочного газа [45]
Оборудование
очистки топочных
газов
Концентрация (мг/Нм3)
Средняя
5,8
2,3
18,6
Минимум
Максимум
16,8
2,8
21,9
Коэффициент загрязнения (г/т)*
Средняя
Минимум
Максимум
Рукавный фильтр
1,0
68,5
7,8
206,9
Мокрый скруббер
1,8
16,3
13,3
18,0
Батарея мокрых
14,6
202,2
163,6
224,4
циклонов
Мокрая система
11,7
6,2
16,9
116,3
38,2
187,7
Вентури
*Коэффициент загрязнения производства указывается в г на тонну хорошего литья
7.7.1.2 Соотношения песка к жидкому металлу
Чрезмерное количество песка в литейных системах приводит к неоправданным
капитальным и эксплуатационным расходам. Малое соотношение песка к жидкому
металлу снизит общее количество песка в системе, а значит, и снизит потребление
новых материалов.
На Рисунке 7.7 показано распределение соотношений песка к жидкому металлу
для зеленого песка в чугунолитейном производстве. Данные были взяты из
британского сектора литейной промышленности. Несмотря на то, что среднее
соотношение песка к жидкому металлу в этом секторе составляет 9:1, некоторые
литейные производства работают либо значительно выше, либо значительно ниже
этого показателя. Как правило, более низкие соотношения связываются с
определенными типами металлических литейных форм или с поштучными
литейными производствами, где легче оптимизировать комбинации «размер ящика литье». Более высокие соотношения, в основном, объясняются тем, что работа либо
нерегулярная, либо кратковременная (мелкосерийность). В этих случаях неизбежно
множество сильно различающихся конфигураций литья (а значит и конфигураций
моделей). Возможно также, что с момента проектирования завода оригинальные
изделия/номенклатура продукции претерпели значительные изменения.
189
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 7.7 - Соотношение зеленого песка к жидкому металлу на чугунолитейных
производствах [27]
На Рисунке 7.8 показано распределение всех соотношений песка к жидкому
металлу для зеленого песка в медном секторе, где среднее соотношение песка к
жидкому металлу составляет приблизительно 4:1. Причиной того, что данное
значение ниже, чем в чугунном секторе, в основном, является тот факт, что
большинство производств по литью меди имеют производственную ориентацию с
оптимизированным размером ящика.
Рисунок 7.8 - Соотношение зеленого песка к жидкому металлу на производствах по
литью меди [27]
190
П-ООС 17.02-02-2012
На Рисунке 7.9 приводятся данные по соотношению химически связанного песка
к жидкому металлу для различных типов металлов.
Рисунок 7.9 - Общая выборка соотношений песка к жидкому металлу на литейных
производствах Великобритании [63]
7.7.1.3 Выход годного металла
Выход годного металла – это соотношение количества расплавленного металла
к весу окончательно обработанных качественных отливок. На выход годного
металла влияют пять основных факторов, таких как:
- требования к качеству;
- выбор размера модели – ящика;
- протяженность систем литников и питателей;
- усадка металла;
- количество бракованного литья.
Выход годного металла не имеет прямого влияния на использование песка. Тем
не менее, увеличение выхода может привести к уменьшению количества
изготавливаемых моделей. А это означает, что снижается общее потребление песка.
Более низкий выход металла, в основном, связывается с выпуском изделий с
повышенным уровнем интеграции, где могут потребоваться исключительные
стандарты качества. А это требует более экстенсивной питательной системы.
Низкий выход также может указывать на повышенное количество скрапа и
чрезмерные питательные системы. При таких обстоятельствах литейные
производства должны пересмотреть свои методы управления процессами и
изготовления моделей. В Таблице 7.41 приводится средний выход годного металла
для основных секторов сплавов.
191
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 7.41 - Выход годного металла в основных секторах сплавов [3], [27]
Сектор
Чугун с пластинчатым графитом
Чугун с шаровидным графитом
Алюминий
Медь
Сталь
Средний выход
годного металла (%)
68
63
57
58
45
Диапазон объявленных
выходов годного металла (%)
40 – 90
40 – 90
40 – 80
30 – 90
нет данных
Данные были взяты из обзора по британскому сектору литейного производства и
у Португальской ассоциации литейного производства (в последнем случае данные
относятся к стали). Значительное количество респондентов в обзоре отказались
предоставить данные по выходу годного металла, особенно в алюминиевом и
медном секторах. Тем не менее, можно сделать некоторые общие комментарии по
выходу годного металла:
- диапазон выходов годного металла, заявленных для чугуна с пластинчатым
графитом и чугуна с шаровидным графитом, был от 40% до 90%;
- выходы годного металла, заявленные производствами по литью алюминия,
были довольно равномерно распределены между 40% и 80%. Однако, более 50%
производств по литью алюминия предпочли не предоставлять данных;
- половина из небольшого количества производств по литью меди,
предоставивших данные, достигает выхода годного металла в объеме от 50% до
60%, хотя заявленный диапазон составляет от 30% до более чем 90%.[64]
7.7.1.4 Использованный формовочный песок
В Финляндии был проведен обзор и изучение качества и химического состава
отходов формовочного песка. Данные были собраны в литературе и из собственных
экспериментов [65].
В нескольких исследованиях были выполнены химические анализы
использованного формовочного песка из различных источников. В Таблице 7.42
приводится краткое изложение наиболее значительных результатов. Данные
показывают, что содержание металлических и органических вредных веществ в
использованном формовочном песке, как правило, низкое. В общем случае,
содержание металлических и органических вредных веществ в зеленом песке выше
по сравнению с химически связанными песками. Неорганические пески, в основном,
очень чистые.
Таблица 7.42 - Результаты анализов использованных формовочных песков от
различных источников [65]
Компонент
Ba
Cr
Fe
Zn
Cd
Pb
Cu
Ni
Mn
As
Фенол
192
Зеленый
песок
(мг/кг)
35 – 118
1,7 – 13,5
2950 – 21000
1,5 – 1450
0,03 – 6,7
1,6 – 390
4,7 – 5,0
<2,5 – 20,0
76 – 78
0,2 – 2,1
1,1 – 29,6
Песок,
обработанный
органикой (мг/кг)
2,4 – 5,5
1,2 – 7,2
640 – 16300
1,6 – 49
0,01 – 0,03
0,4 – 2,1
2,7 – 4,4
0,3 – 8,5
22 – 79
0,2 – 1,8
0,1 – 14
Кварцевый песок
(мг/кг)
нет данных
<5
530 – 1700
<10 – 30,0
0,02
1,3
<1,5 – 6,0
2,5 – 8,3
25 – 34
<0,5 – 0,51
0,03
П-ООС 17.02-02-2012
Всего РАН
1,0 – 206,6
0,1 – 8,8
<1,75
Центр Исследования Литья (ЦИЛ) проанализировал значения по ПАУ (общее
ПАУ, нафталиновое и канцерогенное ПАУ) и содержание фенола в различных
использованных формовочных песках. Результаты приводятся в Таблице 7.43. Для
какой-либо указанной линии по производству песка изменения содержания ПАУ и
фенола сравнительно небольшие.
Таблица 7.43 - Содержание ПАУ и фенола в использованных формовочных песках
[65]
Песочна
я система
Зеленый
песок
Щелочн
ая
фенольная
Фуранов
ая
Оболочк
а из смолы
Полициклические ароматические
углеводороды (мг/кг)
Нафталин
Канцерогенн
Общее
ое ПАУ
ПАУ
<1,0 – 7,4
0,003 - <1,0
1,1 – 4,8
0,026 – 0,096
0,87 - <1,0
0,014 – 1,5
0,11 – 7,1
0,01 – 0,67
Фенол
Всего
(мг/кг)
<10 –
11
2,3 –
8,1
1,4 –
63
1,4 –
210
Выщел
ачиваемы
й
(мкг/л)
26 –
1600
0,0254400
1,0 <10
0,75 –
9,3
0,18 15
3,7 3300
1,2 –
19
0,025 3200
Тесты на выщелачивание показали, что выщелачивание металлов, как правило,
небольшое и что выщелачиванием хрома, вызванным присутствием хромитового
песка, можно пренебречь [65].
7.7.2 Литье в постоянные формы
Потребляемые ресурсы
На выходе
- разделительный состав на водяной
- литье
основе
- масляный туман от распыления
- охлаждающая жидкость
разделительного состав
- расплавленный металл
- органические загрязняющие
- стержни
вещества
от
термического
разложения
связующего
вещества
стержней
пыль,
содержащая
оксиды
металлов из выдерживающих печей
- пыль от выбивки сердечников
- отработанная вода
В Таблице 7.44 приводятся данные по материальному балансу для трех
различных литейных производств, использующих литье алюминия под давлением.
Таблица 7.44 - Данные по материальному балансу, химическому составу выбросов
и отходов для установок для литья алюминия под давлением [7], [50]
Производство
А
Потребляемые ресурсы
Вода
Производств
Производство С
оВ
802 л/т
935 л/т
1709 л/т
193
П-ООС 17.02-02-2012
разделительный
состав
Электричество
На выходе
Отработанная вода1
химическое
потребление
кислорода
(ХПК)
pH
взвешенные твёрдые
частицы
Масло и смазка
биохимическая
потребность в кислороде
(БПК)
Al
Отработанный газ
NOx
16 л/т
8,26 л/т
1103 кВтчас/т
1,12 л/т
652 кВтчас/т
1380
кВтчас/т
122 л/т
18000 мг/л
126 мг/л
7,5
1300 мг/л
7,5
1 мг/л
3000 мг/л
2000 мг/л
1 мг/л (всего
углеводородов)
78 мг/л
5 мг/л
0,6 мг/л
0,006 кг/т
Летучие органические
0,28 кг/т
0,14 – 0,27 кг/т
вещества
Пыль
1,8 кг/т
0,030 – 0,16 кг/т
Все значения указаны в пересчете на тонну хорошего литья или в мг на л отходов
1
Для Производства С улучшение качества отработанной воды обеспечивается
дистиллирующей установкой и градирнями
В современной практике литья под давлением разделительный состав на
водяной основе распыляется по открытой металлической форме после разбавления
до соотношения 1:50 – 1:200. Кроме того, что такое разбрызгивание обволакивает
литейную форму, оно ее еще и охлаждает. Этим объясняется разница в
потреблении воды, указанная в таблице. Данная технология ведет к разливу и
потерям воды. До 40% воды/состава утекает в систему отработанной воды
литейного производства.
Уровни выбросов и потребления для процессов литья в постоянные формы
определяются типом используемого сплава, площадью поверхности расплава,
количеством песчаных стержней, вставленных в литейную форму, и соотношением
поверхности литья к его объему. Литейные стержни являются основными
источниками выбросов. Не существует каких-либо значимых различий между
отдельными технологиями литья. Из-за большого разнообразия процессов и
применений невозможно предоставить усредненные данные. [7]
Потребление электричества зависит от параметров процесса, таких как сила
закрытия крышки литейной формы; они определяются на технической основе.
В Таблице 7.45 указываются коэффициенты загрязнения производства для литья
бронзы, латуни и ЦАМа, выполняемого в Бельгии.
Таблица 7.45 - Индикативные коэффициенты загрязнения производства для литья
бронзы, латуни и ЦАМа [13]
Сплав
Бронза
CuO
0,06
Латунь
0,01
SnO
0,04
PbO
2 – 20
0,007 –
1
ЦАМ
194
ZnO
625 –
6250
125 –
21500
0,004
Al2O3
0,2
MnO
0,01
П-ООС 17.02-02-2012
*Все данные указаны в пересчете на г/т расплавленного металла
7.8 Обработка и окончательная доводка отливок
Потребляемые ресурсы
На выходе
необработанные
- обработанные отливки
- пыль (частицы песка, металла) от операций
отливки
- абразивные материалы
по механической обработке
- вода, мыло
- улетученные металлы, продукты сгорания от
- электричество
термической обработки
- отработанная вода
7.8.1 Скользящее шлифование
В Таблице 7.46 приводятся данные по потреблению – отходам для скользящего
шлифования алюминиевых отливок. Отработанная вода направляется в систему
очистки сточных вод и рециркулируется в оборудование скользящего шлифования.
Абразивная порода используется и выходит неизмененной, за исключением
некоторого минимального износа.
Таблица 7.46 - Баланс потребления – отходов для скользящего шлифования
алюминиевых отливок [50]
Потребляемые ресурсы
Электричество
20,7 кВтчас
моющее средство
0,5 л
вода
490 л
На выходе
Жидкие отходы
400 л
*Все значения указаны в пересчете на тонну качественного литья
7.8.2 Дробеструйная обработка
В обзоре итальянского литейного производства были собраны данные по
уровням выбросов от отработанных газов при дробеструйной обработке. Результаты
приводятся в Таблице 7.47. При всех технологиях достигаются максимальные
уровни выбросов пыли ниже 30 мг/Нм3. Наименее эффективной системой является
мокрая система Вентури. У нее коэффициент загрязнения производства остается
гораздо выше, чем у остальных технологий. Но с другой стороны, она также
работает в качестве защитного устройства, предотвращающего взрыв пыли
алюминия. [3]
Таблица 7.47 - Данные по выбросам для отработанного газа при дробеструйной
обработке, с использованием различных технологий удаления пыли [45]
Концентрация (мг/Нм3)
Рукавный
фильтр
Мокрая
фильтрация
Батарея
мокрых циклонов
Мокрая
система Вентури
Сре
д-няя
5,3
12,0
Мини
мум
0,4
4,2
Макси
-мум
19,3
16,4
Коэффициент загрязнения (г/т)
Сред
няя
53,1
21,9
Мини
мум
0,3
7,9
Макси
мум
327,3
30,1
8,2
4,2
14,8
54,9
18,5
135,4
12,8
1,1
22,3
149,0
2,3
523,5
195
П-ООС 17.02-02-2012
*Коэффициент загрязнения производства указывается в г на тонну качественного
литья и для очищенного газа
7.8.3 Футеровка
В обзоре итальянских литейных производств были собраны данные по уровням
выбросов от отработанных газов при футеровке. Результаты приводятся в Таблице
7.48. При всех технологиях достигаются максимальные уровни выбросов пыли ниже
30 мг/Нм3. Системы рукавного фильтра и Вентури позволяет получить
максимальные уровни ниже 10 мг/Нм3. Наименее эффективной системой является
система батареи мокрых циклонов. У нее коэффициент загрязнения производства
остается гораздо выше, чем у остальных технологий. Он во многом определяется
количеством необходимой окончательной обработки и, таким образом, типом
изготовленных отливок.
Таблица 7.48- Данные по выбросам для отработанного газа при футеровке, с
использованием различных технологий удаления пыли [45]
Концентрация (мг/Нм3)
Сре
дняя
3,0
14,8
Мини
мум
0,4
7,6
Макси
мум
7,5
23,3
Коэффициент загрязнения (г/т)
Сред
няя
Мини
мум
2,3
96,2
Макси
мум
85,6
497,2
Рукавный
17,0
фильтр
275,6
Батарея
мокрых циклонов
2,5
1,1
5,9
45,5
35,5
63,4
Мокрая
система Вентури
*Коэффициент загрязнения производства указывается в г на тонну качественного
литья и для очищенного газа
7.8.4 Операции подготовки отливок для дальнейшей обработки на
сталелитейных производствах
На сталелитейных производствах выполняются специфические процессы:
отрезание, огневая зачистка, сварка. В Таблице 7.49 приводятся средние значения
выбросов пыли. Они относятся к использованию следующих технологий:
- Отрезание (системы питателей): Тетрен-ацетилен-оксид железа для резки
нержавеющей стали
- Огневая зачистка: Углеродный электрод, покрытый медью
- Сварка: Использование электродов или проволоки.
Таблица 7.49 - Средние значения выбросов пыли при отделке стали [7]
Отделочные операции
Выбросы пыли (кг/т)
Огневая зачистка
9 - 11
Электрод/проволока
3 – 3,5
*Все значения указаны в пересчете на тонну качественного литья
7.9 Термическая обработка
Потребляемые ресурсы
На выходе
-обработанные отливки
-обработанное литье (термически
-энергия (электричество, газ или обработанное)
жидкое топливо)
-продукты сгорания от обжига
-для закалки: вода, масло, воздух
-водяной пар, дым, масляный туман
196
П-ООС 17.02-02-2012
-NOx, SO2
Выбросы из печей для термической обработки, в частности, из печей на газе и
жидком топливе, как правило, состоят из газообразных продуктов сгорания.
Химический состав этих продуктов определяется типом используемого топлива.
Печи на жидком топливе будут вырабатывать выбросы SO2, которых нет в продуктах
сгорания природного газа. Если применяются процессы закаливания, то
дополнительно происходят выбросы дыма, водяного пара или масляного тумана, в
зависимости от среды закаливания.
Печи для термической обработки, по общепринятому мнению, являются
непрерывными источниками хорошо известных не-воздушных компонентов. Уровни
выбросов во многом определяются соответствующим потреблением энергии,
конструкцией горелки и обслуживанием. Улавливание выбросов в различных печах
не сильно отличается; и выбросы отводятся через дымовой канал печи. Как
правило, больше никакой очистки отработавших газов не применяется.
В общем случае, закаливание является периодическим процессом. По этой
причине уровни выбросов сильно изменяются. Тем не менее, они могут стать более
значимой угрозой в случае более масштабного производства. Данные относительно
мощности источника (интенсивности испускания) и химических составляющих не
были найдены.[1]
7.10 Отработавшая вода
7.10.1 Источники отработавшей воды
Количество технической воды, используемой на литейных производствах,
невелико и главным образом определяется выбором технологий для удаления пыли.
Отработавшая вода, в первую очередь, образуется в системах удаления пыли и
очистки отработавших газов, которые применяются в плавильных цехах при
подготовке и переработке материалов для изготовления литейных форм, а также на
очистительных установках. Отработавшая вода также вырабатывается при
производстве литейных стержней, если используются мокрые скрубберы (в
зависимости от технологии изготовления стержней и применяемых связующих
веществ). На небольшом количестве заводов (в Европе заявлено о 2 заводах) вода
используется для регенерации песка. Более того, вода, как правило, применяется
для охлаждения ваграночных оболочек и в охлаждающих ваннах для литья (под
давлением).
Возможными источниками отработавшей воды являются:
- зона хранения металлолома и дренаж площадки;
- подготовка песка;
- мокрые скрубберы, применяемые для удаления пыли в различных областях
литейного производства;
- охлаждение механизмов и приспособлений для литья под давлением;
- вибрационная доводка (скользящая шлифовка);
- охлаждающие ванны, использующиеся при термической обработке.
Удельное количество отработавшей воды на производстве в среднем составляет
0,5 м3/т хорошего литья.[58], [66]
7.10.2 Сточные воды от хранения металлолома
На металлоломе может присутствовать прилипшая грязь, и хранящийся снаружи
скрап естественно имеет характерные для производства загрязнения. Прилипшая
грязь может быть смыта дождями и затем попасть в почву и грунтовые воды. В
Таблице 7.50 приводится обзор возможных загрязнений:
Таблица 7.50 - Возможные загрязнения для определенных типов металлолома [66]
197
П-ООС 17.02-02-2012
Тип металлолома
мелкая металлическая стружка
Прилипающие загрязнения
смазочно-охлаждающая
жидкость,
эмульсии (могут содержать хлор)
штамповочный лом
штамповочные масла (могут содержать
хлор)
лом
литья,
не
соответствующее
гидравлическая
жидкость,
техническим условиям
трансмиссионное масло
металлолом после холодной штамповки
фосфаты, графит, смазки для опалубок
и кузнечных работ
и литейных форм
Если прилипшие загрязнения являются веществами, представляющими
опасность загрязнения воды (масла, эмульсии), то необходимо выполнять
требования по хранению таких веществ.
7.10.3 Отработавшая вода из мокрых скрубберов, применяемых при
плавках в вагранках
Мокрые скрубберы применяются в плавильных цехах для очистки отходящего
газа. Они используют воду для удаления из отходящего газа частиц пыли (средняя
нагрузка: 10 – 15 г/Нм3) и газов, таких как диоксид серы. В отстойном резервуаре
большая часть твердых частиц улавливается и таким образом почти полностью
удаляется из скрубберной воды.
Частично кислые газы, вымываемые из ваграночного отходящего газа, такие как
диоксид серы, накапливаются в скрубберной воде. Это приводит к увеличению в ней
концентрации солей и к понижению уровня pH. Такое накопление солей усиливается
за счет потерь на испарение, поэтому время от времени необходимо воду сливать.
Отработавшая вода из мокрых систем удаления пыли в плавильных цехах, как
правило, содержит:
- твердые вещества, такие как оксиды кремния, железа и алюминия, карбонаты
кальция;
- тяжелые металлы, хотя, за исключением цинка, они присутствуют только в
очень небольших концентрациях;
- органические загрязняющие вещества, которые могут попасть в сточные воды
через грязный металлолом.
Уровни абсорбируемых органических галогенидов (АОГ) в воде, используемой
при мокрой очистке ваграночного отходящего газа, могут доходить до нескольких
миллиграмм. Возможными источниками АОГ являются лакокрасочные покрытия
металлолома и прилипшие хлорсодержащие органические соединения, попадающие
в воду во время процессов по мокрой очистке газов.
В Таблице 7.51 предлагается обзор концентраций загрязняющих веществ в
фильтрате от обезвоживания отстоя из мокрых скрубберов ваграночных печей.
Таблица 7.51 - Концентрации загрязняющих веществ в фильтрате из мокрых
скрубберов ваграночных печей [66]
Вещество,
определяемое при анализе
значение рН
электропроводность
свинец
кадмий
хром
медь
никель
198
Единицы
Значение
µS/cm
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
7,2 – 9,9
1400 – 18400
<0,01 – 2,5
<0,01 – 0,03
<0,01 – 0,13
0,02 – 0,89
0,04 – 0,23
П-ООС 17.02-02-2012
ртуть
цинк
сульфат
хлорид
ХПК
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
<0,001
1,8 – 27,9
430 – 1550
1330 – 3947
154 – 7580
7.10.4 Отработавшая вода с участков литья, охлаждения и выбивки, а также
от изготовления литейных форм / подготовки песка
На участках литья, охлаждения и выбивки, а также при изготовлении литейных
форм, подготовке песка во время удаления пыли улавливаются нерастворимые
мелкие частицы от формовочного материала, а также небольшие органические
компоненты из применяемых связующих веществ. В случае использования мокрого
удаления пыли, эти соединения обнаруживаются в потоке отработавшей воды.
Среди неорганических твердых веществ присутствуют оксиды железа и глина,
которые частично являются мелкодисперсными и плохо удаляемыми.
7.10.5 Отработавшая вода от изготовления литейных стержней
В цехах по производству стержней используются химические скрубберы. В них
применяется либо кислота (процесс «холодный ящик»), либо основание (процесс
SO2 и Кронинга). Количество выливаемой отработавшей воды определяется
аккумулированием загрязняющих веществ и солей в циркулирующей воде. Если
уровни загрязняющих веществ слишком высокие, необходимо сливать часть
загрязненной воды.
Скрубберные растворы от производств по изготовлению литейных форм с
применением холодного или горячего ящика содержат амины и фенолы, легко
разлагаемые биологическими методами.
Очистка скрубберных растворов, содержащих амины, требует стадии
нитрификации / денитрификации. Эти этапы очистки также могут выполняться на
внешней установке по биологической очистке отработавшей воды.
После окисления скрубберные растворы из SO2- процесса главным образом
содержат сульфат натрия. Так как высокие концентрации сульфата (>600 мг/л) могут
привести
к
повреждению
канализационных
систем,
соответствующими
компетентными органами установлены предельные значения в соответствии с
местными условиями. [66]
8 Методы, рассматриваемые при определении НДТМ для литейных
заводов
В данном разделе представлены наилучшие доступные технические методы и
меры по уменьшению энергопотребления для отдельных этапов производства.
Различные методы классифицированы по конкретным темам, что позволяет
осуществлять тематический подход для оценки различных процессов и этапов
литейного производства.
Эти методы имеют своей целью оптимизацию технологического процесса или
снижение вредного воздействия на окружающую среду, например:
- тщательный выбор и оптимизация работы каждого этапа, то есть: хранение,
плавление и подготовка металла, производство литейных форм и стержней,
отливка;
- снижение выбросов в окружающий воздух и воду;
- увеличение эффективности использования энергии;
- минимизация и повторное использование отходов.
199
П-ООС 17.02-02-2012
В соответствии с тематическим подходом, информация представлена в
следующих разделах:
8.1 Хранение и подготовка сырья
8.2 Плавка металла и подготовка расплавленного металла
8.3 Изготовление литейных форм и стержней, включая подготовку формовочной
смеси
8.4 Отливка металла
8.5 Нейтрализация и обработка и отходящих газов
8.6 Обработка используемой воды
8.7 Энергетическая эффективность
8.8 Формовочный песок: регенерация, рециркуляция, повторное использование,
размещение
8.9 Пыль и твердые остатки: подготовка и повторное использование
8.10 Снижение шума
8.11 Вывод из эксплуатации
8.12 Инструменты экологического контроля.
Чтобы осуществить выбор лучших из доступных методик, все они,
рассматриваемые при выборе BAT, представлены в соответствии со стандартной
структурой. Пункты этой структуры описаны в таблице 8.1.
Таблица 8.1 - Информация содержащаяся в разделах, описывающих
каждую технологию, включенную в главу 6
Наименование типа
информации
Описание
Экологические
эффекты
от
внедрения метода
Эксплуатационные
данные
Тип информации
Техническое описание технологии
Основные моменты воздействия на окружающую среду.
Данные относительно уровня потребления и выбросов
работающих заводов, использующих данную технологию. Вся
другая информация относительно работы, хранения и
управления технологическим процессом
Воздействие
на Все воздействия на различные среды и недостатки по отношению
различные среды
к другим средам, вызванным внедрением. Экологическое
воздействие данной технологии, по сравнению с другими
Применимость
Указание типа заводов, на которых методика может быть
использована. Рассмотрение, например: возраст завода (новый
или существующий), размер завода (большой или малый),
технологии уже применяемые (например, тип печи, методика
формовки, …) и тип производства (черные металлы, цветные)
Экономические
Информация относительно затрат (как инвестиционных, так и
показатели
рабочих) и возможная экономия, включая детали расчета этих
затрат
Движущие
силы Местные условия или требования, которые способствуют или
внедрения
могут стимулировать внедрение. Информация относительно
причин, кроме экологических, для внедрения (например,
увеличение производительности, безопасность)
Примеры заводов
Ссылки на заводы, на которых используется данная технология и
на котором была собрана информация
Справочная
Литература, которая использовалась при написании данного
литература
раздела и которая содержит подробности
200
П-ООС 17.02-02-2012
В данной главе представлена информация по каждой из методик. С более
поздними данными и выбором различных технологий можно ознакомиться в Главе 9,
но это основано на информации, содержащейся в Главе 8.
8.1 Хранение и подготовка сырья
8.1.1 Введение
Хранение и подготовка твердых материалов, газов и жидкостей обсуждаются в
Справочнике по наилучшим доступным технологиям по хранению (Storage BREF)
[67]. В документе описаны возможные методы хранения, например, для насыпного
хранения, в бункерах, в резервуарах и упакованных материалов (например, опасные
и огнеопасные материалы). Они применяются для хранения сырья литейных
заводов, например, для песка, лома, кокса, топлива (газ, нефть), химических
продуктов, присадок и для отходов, например, для использованного формовочного
песка, отфильтрованной пыли и шлака. В этом разделе мы будем обсуждать только
специфические проблемы литейных заводов, которые не описаны в документе
BREF.
8.1.2 Хранение под навесом и закрытые площадки для хранения лома
Описание
При создании и эксплуатации зон хранения лома необходимо принимать во
внимание следующие факторы:
- необходимо знать состав переплавляемого материала. Использование
раздельного хранения различных типов или сортов металла позволяет
контролировать состав загрузочной шихты. Для этого можно использовать секции
или ящики, расположенные в зоне хранения или бункер;
- попадание минеральных и окисленных веществ, например, ржавчины в грунт,
вызывает
усиление
износа
огнеупорных
материалов.
Использование
зацементированной площадки для хранения лома предотвращает попадание в
грунт, или воду;
- крыша, установленная над зоной хранения, может предотвратить попадание
дождевой воды и воспрепятствовать выбросам пыли;
- может использоваться сбор воды и ее последующая обработка, чтобы
предотвратить загрязнение воды или грунта.
Экологические эффекты от внедрения метода
Использование крыши и прочного пола позволяет осуществлять сбор выходящей
воды, и, следовательно, предотвращает неконтролируемые сбросы в воду и почву.
Выбросы непосредственно в почву также минимизированы, так как смешивание
материала с почвой исключено.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Применимость
Закрытый склад металлолома может использоваться для хранения лома на всех
новых и существующих литейных заводах. Металлический лом хранится под крышей
при условии сбора сточных вод и отходов производства, что предотвращает
загрязнение воды и почвы.
Движущие силы внедрения
Контроль состава шихты улучшает рабочий процесс печи и, следовательно,
позволяет улучшить состав металла. Он также позволяет минимизировать износ
огнеупорного материала.
Примеры заводов
Эта методика применяется на большинстве литейных заводов.
Справочная литература
[7]
201
П-ООС 17.02-02-2012
8.1.3 Размеры хранилища для химических вяжущих составов
Описание
Рекомендации по хранению конкретные производители получают от поставщиков
химических вяжущих составов.
Отказ выполнения этих рекомендаций приводит к непригодности или потере
качества этих продуктов, которые либо требуют хранения как специальный лом,
либо приводят к потере качества формы или стержней. В таблице 8.2 представлены
проблемы качества, возникающие вследствие неправильного хранения жидких
химических вяжущих составов. При правильном хранении эти проблемы учтены.
Таблица 8.2 - Проблемы, возникающие в результате неправильного
хранения жидких химических вяжущих составов [68]
Проблема
Влияние на продукт Результат
Зависимость
от Продукты,
Может
возникнуть
чрезмерно низких содержащие воду, расслоение
продукта,
температур
могут замерзать
вызывающее разрушение
литейной
формы.
Поврежденные продукты
требуют удаления
Зависимость
от Преждевременное Плохие
свойства
очень
высокой старение,
смешения,
низкая
температуры
и образование
прочность
литейной
солнечного света
поперечных сшивок формы
и
плохая
смолы
и устойчивость к высоким
увеличенная
температурам
вязкость
Длительное
Увеличенная
Плохое
проникновение
хранение
или вязкость
между гранулами песка.
хранение
при
Плохая
текучесть
низких
песчаной
смеси
и
температурах
сложности
с
уплотнением. Литейные
формы имеют низкую
прочность
Увлажнение
Свойства
Характеристики
продуктов,
связывающего
состава
содержащих
ухудшаются,
продукт,
изоцианаты,
необходимо удалить
ухудшаются
вследствие реакции
с водой
Осадок,
Закачиваемая
Литейные формы малой
образовавшийся в жидкость
может прочности
насыпном
стать
резервуаре
для несовместимой
хранения песка
Некоторые основные требования включают:
- укрытая и проветриваемая зона хранения;
- сбор вытекающей жидкости;
- закрытый склад.
202
Влияние на отливку
Производство отливок
невозможно
Сложности
обработки
конечной
Эрозия,
экзогенное
(из-за
песка)
образование облоя и
искажение размеров
Увеличенный
риск
образования газовых
дефектов (раковины)
Увеличение размера
отливки и эффекты
сжатия
П-ООС 17.02-02-2012
В зависимости от климата, необходимо учитывать время хранения при
чрезмерно низких или высоких температурах и влияние солнечного света. При
хранении очень огнеопасных жидкостей следует предпринимать дополнительные
меры предосторожности, например, метиловую соль муравьиной кислоты,
триэтиламин (TEA), диметилтиламин (DMEA) и составы для покрытия формы,
содержащие изопропиловый спирт.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение количества используемых химических продуктов, которые не
требуются для использования.
Большинство химических вяжущих составов опасно для здоровья и
характеризуется одним или более из следующих свойств: токсичность, способность
вызывать коррозию, огнеопасность. Эти свойства означают, что даже небольшие
утечки этих веществ могут представлять опасность для здоровья персонала, в то
время как большие их количества могут вызвать серьезный инцидент. Значительные
утечки, попадающие в поверхностные воды, могут вызвать серьезное загрязнение
водного бассейна.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Применимость
Эта методика применяется во всех новых и существующих технологиях.
Движущие силы внедрения
Меры по обеспечению безопасности и оптимизация работы литейного завода.
Примеры заводов
Эта методика применяется на большинстве литейных заводов.
Справочная литература
[69]
8.1.4 Использование чистого лома для плавки и удаление песка из
возвратного материала
Описание
Плавка чистого лома предотвращают риск внедрения неметаллических
соединений, приносимых со шлаком и/или отколовшихся от футеровки печи. Эти
соединения обычно содержат известь, оксиды железа, оксиды марганца и основные
окислы (например, MgO при попадании чугуна с шаровидным графитом) в
комбинации с кремниевым огнеупорным материалом (кислота). Если количество
загрязнений будет ограничено, то это существенно снизит количество
образовавшегося шлака и обеспечит более длительный срок службы печи и
футеровки ковша. Для производства чугуна с шаровидным графитом используется
печь с кислым огнеупорным материалом, и адгезия кварцевого песка может оказать
благоприятное воздействие, так как он нейтрализует MgO, попадающий из
вторичных материалов литейного завода.
Наличие загрязняющих примесей и оксидов в загрузочной шихте будет
потреблять часть энергии, необходимой для плавки. Кроме того, удаление шлаков
требует более высокой температуры ванны, чтобы поддерживать шлаки в жидком
состоянии.
Внутренний вторичный оборотный лом содержит осколки литниковой системы и
отбракованные отливки. Осколки литниковой системы разбиваются после выбивки
отливок из форм. Обычно они не содержат налипшего песка, благодаря их
геометрии. Отбракованная отливка отбирается при контроле качества, который
проводится после очистки отливок, используя пескоструйную очистку или
дробеструйную обработку для удаления всего налипшего песка. Поэтому,
использование материала, очищенного от песка, обычно не требует никакой
дополнительной обработки.
203
П-ООС 17.02-02-2012
Экологические эффекты от внедрения метода
Эта методика уменьшает количество шлаков и пыли, требующих утилизации и
ограничивает выбросы органических веществ. Расход энергии уменьшается (на 10 15 %) вследствие уменьшения количества шлака. Кроме того, можно уменьшить
выход воздушного потока.
Дробеструйная обработка лома может быть рекомендована в случаях, когда
загрязнение может привести к появлению чрезмерного количества шлака.
Использование только лома, обработанного с помощью дробеструйной очистки,
фактически потребовало бы добавки шлакообразующих присадок для создания
шлака.
Воздействие на различные среды
Если литейные заводы будут использовать только чистые отходы, то уменьшится
скорость рециркуляции грязного лома. При этом возникнет необходимость в
создании дополнительных операций очистки и возрастет проблема утилизации
отходов.
Использование методов очистки для удаления песка из вторичного материала
требует дополнительного расхода энергии. Однако это компенсируется энергией,
полученной на стадии плавки.
Эксплуатационные данные
Энергия, расходуемая на очистку 30 - 40 кг песка из 1 тонны отливок составляет
12 - 15 кВтч, по данным работающих предприятий. Уровень потребления зависит от
размеров и типа отливок.
Для сталелитейного завода, использующего плавление в электродуговых печах
(EAF), увеличение выхода расплавленного металла (разлитый металл/загруженный
металл) составляет 2 - 3 %, по данным производителя.
Обычная загрузка металла при использовании электродуговых печей составляет:
55% заводского стального лома; 40% внутренних возвратных материалов; 5%
добавок для коррекции состава металла.
Применимость
Удаление песка из лома может использоваться на всех новых и существующих
литейных заводах. Использование чистого лома для плавки может использоваться
на всех типах заводов, но выбор сорта лома должен зависеть от технологии,
установленной для плавки и газоочистки. Если целые участки производства
перенастраиваются на работу с чистыми отходами, это будет создавать проблему
при рециркуляции грязного лома.
Использование железного лома (как стального, так и чугунных чушек) приведет к
увеличению затрат и потребует дополнительных инвестиций в новое оборудование
для очистки. При плавке в вагранках отсутствуют проблемы, вызванные окислением
поверхности лома и связанные с использованием чугуна в чушках
(восстановительный процесс). При использовании электропечей появятся трудности
только с загрязненным ломом, который не соответствует параметрам для стального
лома, используемого на литейных заводах.
Вагранки могут легко переплавлять неочищенный лом. Если газы очищаются
соответствующим образом, то появится небольшое дополнительное потребление
кокса и небольшие экологические последствия.
Контроль образования шлака очень важен для хорошей работы индукционной
электропечи без сердечника. Качество ее работы больше зависит от чистоты лома,
чем работа других типов печей.
Использование грязного лома не имеет никаких отрицательных последствий на
работу роторной печи, но является основным определяющим фактором для
выбросов пыли. Если газы очищаются соответствующим образом, то существуют
небольшие экологические последствия.
204
П-ООС 17.02-02-2012
Экономические показатели
Цена лома (то есть лома класса 1) на 20 - 30 % выше чем цена загрязненного
лома (то есть лома класса 2). Кроме того, при использовании этой технологии,
уменьшаются затраты удаление шлаков и пыли.
Движущие силы внедрения
Высокая стоимость за размещение отходов и высокие цены на огнеупорный
материал.
Примеры заводов
Эта технология обычно применяется на литейных заводах.
Справочная литература [7, [13], [70]
8.1.5 Внутренняя рециркуляция черного металлолома
Описание
Внутренний лом образуется при удалении литниковой системы и питателей при
контроле качества и на стадии конечной обработки. Относительное количество
внутреннего лома может быть рассчитано, исходя из выхода годного металла, в
соответствии с описанием, представленным в разделе 7.7.1.3. Чтобы
минимизировать производство отходов, внутренний лом возвращается на линию
подачи металлолома в печь.
Для сталелитейных заводов 100%-ое использование возвратного металла
является необычным вследствие образования растворенного газа. Операторы
предполагают, что 60 % возвратного металла в металле шихты будет максимальным
значением (питатели, отбракованные отливки и т.д.). Металлическая стружка и
отходы при шлифовке могут вызвать чрезмерное окисление расплавленного
металла.
Рециркуляция внутреннего лома также может быть ограничена в случае плавки
чугуна с шаровидным графитом, так как во время плавки к жидкому чугуну
добавляется высокое количество кремния (приблизительно 1 % в большинстве
случаев). В некоторых случаях переплавка всего внутреннего лома не возможна, так
как конечное содержание кремния будет слишком высоким (обычно 2,5 – 3 % в
отливке).
В случае серого чугуна или чугуна с шаровидным графитом свинец или висмут
оказывают очень вредное влияние на свойства металла после затвердевания. Если
случай такого загрязнения произошел, то возвратные отходы (внутренний лом) к
переработке запрещаются.
Экологические эффекты от внедрения метода
Минимизация отходов путем рециркуляции сырья.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Применимость
Эта технология относится ко всем новым и существующим технологиям.
Экономические показатели
Эта технология не предполагает дополнительных затрат.
Движущие силы внедрения
Минимизация отходов, оптимальное использование металла.
Примеры заводов
Методика применяется на всех европейских литейных заводах.
Справочная литература
[7]
205
П-ООС 17.02-02-2012
8.2 Плавка металла и подготовка расплава
8.2.1 Вагранки
В этом разделе будут обсуждаться технологии, касающиеся практики плавки и
работы печей. Эти методы могут применяться либо для операций холодного или
горячего дутья, либо для обоих. Технологии, связанные с топочным газом, например,
дожигание и очистка топочного газа, обсуждаются в разделе 8.5.2. В этом разделе
также обсуждает преобразование холодного дутья для вагранок в горячее дутье.
8.2.1.1 Оптимизация работы печи
Описание
Количество пыли и отходящих газов прямо связано с количеством кокса,
расходуемого на тонну чугуна. Поэтому, все факторы, улучшающие термический
КПД вагранки, также способствуют снижению выбросов из печи.
Возможные факторы, влияющие на плавку:
- Работа печи в максимально возможном оптимальном режиме. Для любой
заданной вагранки, влияние скорости дутья и количества кокса на температуру
выхода металла и скорость плавки может быть выражено в форме сетевого графика
или диаграммы Jungblüth. Сетевой график правильно работает только для вагранки,
для которой он был составлен. Он отображает зависимость температуры металла и
скорости плавки от изменения скорости дутья и количества кокса и позволяет
определить точки (или линии) оптимального термического КПД;
- Уход от избыточных температур расплава и уменьшение температуры
перегрева, благодаря измерениям во время плавки металла;
- Однородная загрузка. Внимательность во время загрузки для получения
равномерного распределения металла и кокса;
- Улучшенный контроль веса загрузки, воздушного потока и температуры
металла;
- Минимизация потерь воздуха. Корректная подача воздуха является
основным фактором для эффективной работы вагранки. Этому часто препятствуют
потери воздуха. Поэтому важно обращать особое внимание на предотвращение всех
утечек, чтобы гарантировать эффективную работу. Шлаковые летки на вагранках
часто остаются открытыми и часто превышают номинальный размер, что приводит к
значительным воздушным потерям. Потери воздуха особенно характерны для
вагранок, использующих горячее дутье. Они имеют место в теплообменнике.
Последствием этого является потребность добавки в фурму кислорода вместо
утраченного воздуха;
- Уход от "соединений" в вагранке. Соединения и перемычки способствуют
зависанию или задержке шихты вагранки в шахте. Это вызывает потерю
эффективности плавки, и в серьезных случаях может полностью остановить плавку;
- Использование хорошей облицовки. В процессе плавки диаметр и площадь
зоны плавки увеличиваются из-за эрозии и износа футеровки. Это оказывает
влияние на работу, способствуя выходу из оптимального режима. Уменьшение
износа облицовки, поэтому, является способом экономии энергии. Для
удовлетворительной и экономичной работы вагранки зона плавки должна
эффективно восстанавливаться после каждой плавки.
Экологические эффекты от внедрения метода
Увеличенный энергетический кпд, снижение потребления коксов, уменьшение
отходов.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Применимость
Эта методика относится ко всем новым и существующим вагранкам.
Движущие силы внедрения
206
П-ООС 17.02-02-2012
Оптимизация работы печи.
Примеры заводов
Хорошие практические результаты плавки отмечаются на всех литейных
заводах, использующих вагранки.
Справочная литература [1], [7], [11]
8.2.1.2 Контроль качества кокса
Описание
Качество используемого кокса имеет прямое отношение к эффективности работы
вагранки. Оно особенно влияет на температуру начального науглероживания и на
содержание серы в чугуне. Спецификация литейного кокса включает в себя проверку
содержания следующих элементов:
- Связанный углерод. Чем выше содержание углерода, тем выше теплотворная
способность;
- Зольность. Высокая зольность нежелательна, так как она снижает
теплотворную способность кокса и способствует образованию в вагранке больших
объемов шлака;
- Летучие вещества. Наличие летучих веществ нежелательно, так как они
снижают содержание связанного углерода и, следовательно, теплотворную
способность кокса;
- Сера. Сера известна как нежелательный элемент для любого типа литейного
чугуна и приводит к выбросам SO2. Чем ниже содержание серы в коксе, тем лучше.
Содержание серы в коксе зависит от содержания серы в поступающем угле. К
сожалению, нет никаких известных методов удаления серы из угля;
- Влажность. Влажность кокса при его закладке в печь нежелательна, так как
она снижает количество весового содержания углерода. Однако, для кокса
необходима некоторая влажность, так как это уменьшает возможность возгорания на
конвейерных лентах и в транспортных средствах;
- Размер. Размер литейного кокса непосредственно влияет на его расход на
тонну расплавленного чугуна, а также на скорость плавки. Чтобы достигнуть
оптимальных рабочих характеристик, размер кокса, полученного из коксовой печи,
обычно должен соответствовать требуемому значению. Печной кокс должен иметь
средний диаметр более 90 мм, при наличии не более 4 % фракции диаметром менее
50 мм. Содержание мелкой фракции будет влиять на выбросы пыли во время
загрузки/разгрузки и работы.
Экологические эффекты от внедрения метода
Оптимизация размеров кокса позволяет получить более высокую эффективность
процесса.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Эксплуатационные данные
Типичные свойства литейного кокса представлены в таблице 8.3.
Таблица 8.3 - Типичные свойства литейных коксов [71]
Свойство
Зольность
Содержание
веществ
Сера
Влажность
Типичное
значение (%)
5,8 - 5,9
летучих
0,3 - 0,4
0,68 - 0,70
1,5 - 2,5
Предельное
значение (%)
6,5 макс,
0,8 макс,
0,75 макс,
3,0 макс,
207
П-ООС 17.02-02-2012
Прочность
M80 Micus-индекс
M10 Micus-индекс
Связанный углерод
Наибольшая
теплотворная способность
81 - 82
8 - 8,5
93,7 - 93,8
32200 кДж/кг
78,0 макс,
9,0 макс,
93,0 мин.
31800 кДж/кг
Данные, представленные в таблице 8.3, взяты из спецификаций поставщиков.
Местные стандарты могут использовать более высокие предельные значения.
Применимость
Технология применима ко всем новым и существующим вагранкам.
Экономические показатели
Обычно, сырье с низким содержанием серы более дорого.
Движущие силы внедрения
Улучшение эффективности работы литейного завода.
Примеры заводов
Эта методика обычно применяется на европейских литейных заводах,
использующих вагранки.
Справочная литература
[11], [3]
8.2.1.3 Работа с кислотным или основным шлаком
Описание
Флюс используется для перевода шлака в жидкое состояние, что способствует
его отделению от чугуна и свободному вытеканию из вагранки. Обычно
используемый флюс представляет собой известняк (углекислый кальций), который
сжигается в шахте вагранки, формируя известь, основную окись, которая затем
объединяется с другими шлакообразующими компонентами (главным образом
кислотными), способствуя разжижению шлака.
Основность шлака определяется с помощью следующего отношения: (CaO% +
MgO%)/SiO2 %
Большинство вагранок работает с кислотным или немного основным шлаком
(основность < 1.2). Основные вагранки (основность до 2) имеют три преимущества:
- более высокое содержание углерода;
- более низкое содержание серы;
- возможность загрузки более низкокачественного лома.
Но они имеют следующие недостатки:
- высокие потери кремния;
- высокие затраты на огнеупорные материалы, если вагранка имеет футеровку;
- высокая стоимость флюса;
- состав металла более труден для контроля, чем при кислотной плавке в
вагранке.
Экологические эффекты от внедрения метода
В кислотных вагранках могут использоваться сухие фильтры. Шлак в основных
вагранках имеет более высокую точку плавки. Таким образом, для разжижения
шлака обычно используется флюс, основанный на CaF2. В вагранках такого типа
возможны выбросы фторсодержащих элементов. Это требует применения мокрых
скрубберов для эффективного удаления этих элементов.
Применимость
Эта технология относится ко всем новым и существующим вагранкам. Если
используется основной шлак, то необходимо влажное обеспыливание.
Примеры заводов
208
П-ООС 17.02-02-2012
Эта методика обычно применяется на европейских литейных заводах,
использующих вагранки.
Справочная литература [3], [7], [11]
8.2.1.4 Увеличение высоты шахты вагранки с холодным дутьем
Описание
Требуемая высота шахты вагранок для различных скоростей плавки
представлена в таблице 8.4. Эти значения оптимизируют степень подогрева
падающей шихты. Однако если газ должен сгорать в зоне завалочного окна, то
можно рассматривать уменьшенную высоту шахты. Обычно, чем короче шахта, тем
более горячий ваграночный газ и более легкое сгорание – либо спонтанное, либо в
камере дожигания.
Таблица 8.4 - Требования к высоте шахты
Скорость плавки в вагранке
(тонна/час)
До 5
5-8
>8
Высота от фурмы до завалочного
окна (м)
4,9
5,8
6,7
Термический КПД вагранки, использующей холодное дутье, может быть увеличен
при увеличении высоты шахты. Обычно, чем выше шахта, тем дольше отходящие
газы остаются в контакте с шихтой, и шихте передается больше теплоты.
Экологические эффекты от внедрения метода
В зависимости от типа установки необходима оптимизация высоты, что позволит
улучшить сгорание газов и увеличить эффективный нагрев шихты.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Эксплуатационные данные
Эксплуатационные данные представлены в таблице 8.5. Отличия включают
удвоение объема верхней зоны. Это приводит к снижению расхода кокса от 140 до
115 кг/тонну, что является относительным уменьшением, равным 18 %. Необходимо
отметить, что обычно оптимальная высота шахты определяется с помощью
эмпирического правила: ‘высота = 5 x диаметров фурмы. Следовательно, начальное
состояние печи, представленной в примере, близко к оптимальному.
Таблица 8.5 - Пример данных по изменению расхода кокса в зависимости от
увеличения высоты шахты [7]
Диаметр
- зона плавки (м)
- верхняя зона (м)
Высота над фурмой (м)
Коэффициент использования кокса
(кг/тонну)
Вагранка перед
модификацией
Вагранка после
модификации
1,4
1,4
5
140
1,4
1,7
6,5
115
Применимость
Оптимизация высоты печи должна проводиться на стадии проектирования, в
противном случае, увеличение высоты можно осуществить только во время
выполнения серьезных работ по восстановлению печи.
209
П-ООС 17.02-02-2012
Движущие силы внедрения
Увеличение эффективности работы печи.
Примеры заводов
Эксплуатационные данные получены с завода во Франции.
Справочная литература [1], [7, [11]
8.2.1.5 Установка второго ряда сопел в вагранке, использующей холодное
дутье
Описание
Термический КПД вагранки с холодным дутьем может быть увеличен путем
установки второго ряда сопел. Они обеспечивают подачу дополнительного
кислорода над зоной горения, который способствует окислению СО в отходящих
газах, СО, образовавшийся вследствие эндотермического восстановления CO2
(кокс). При использовании этой технологии освобождается "латентная" теплота
выхлопных газов, вследствие чего увеличивается термический КПД вагранки.
Вагранка с раздельным дутьем оборудуется двумя рядами сопел, каждый из
которых обеспечивает заданное контролируемое количество воздуха. По сравнению
с обычной вагранкой, оборудованной одним рядом сопел, вагранка с раздельным
дутьем обеспечивает:
- более высокую температуру загружаемого металла и более высокую степень
науглероживания, получаемого при данном расходе кокса;
- уменьшенное потребление кокса и, при необходимости, увеличенную скорость
плавки, сохраняя при этом заданную температуру загружаемого металла.
Чтобы получить максимальную выгоду от раздельного дутья, подача воздуха
должна быть разделена: 25 - 50% в верхней части и 75 – 50% внизу. 2 ряда сопел
должны быть размещены через промежуток приблизительно 1 м (для холодного
дутья) и 0,5 м (для горячего дутья). Каждый ряд сопел должен иметь свою
собственную систему подачи воздуха.
Экологические эффекты от внедрения метода
Уменьшение расхода кокса и увеличение термического КПД.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Эксплуатационные данные
При помощи двух рядов корректно раздельных сопел, имеющих равномерно
распределенный поток, температура загружаемого металла может быть увеличена,
приблизительно, на 45 – 50 ºC при заданном расходе кокса. С другой стороны,
расход кокса можно уменьшить на 20 – 32 %, а скорость плавки увеличить на 11 – 23
%. При работе с раздельным дутьем, но без уменьшения загрузки кокса, при более
высокой температуре плавки, степень науглероживания будет немного
увеличиваться (приблизительно на 0,06 %); потери кремния в расплаве также
увеличатся, приблизительно на 0,18 %.
При работе с раздельным дутьем выгорание футеровки распространяется
дальше в шахту печи. Следовательно, в начале плавки необходимо замерить и
скорректировать высоту слоя кокса. При плавке с короткой продолжительностью, то
есть длительность, которая не превышает, приблизительно, 2 – 3 часа, экономия при
загрузке кокса обычно не компенсирует дополнительные требования к толщине слоя
кокса. Однако, даже при коротких плавках, более высокая температура загружаемого
металла и более высокая степень науглероживания, допустимые при использовании
раздельного дутья, могут быть привлекательны для многих литейных заводов.
Другие задекларированные преимущества:
- температура отходящих газов составляет только 250 ºC, по сравнению с
обычной вагранкой, где температура равна 450 ºC;
- можно использовать 100 % больших болванок переплавленного лома;
210
П-ООС 17.02-02-2012
- возможно увеличение количества стального лома при загрузке металла.
Дополнительные Эксплуатационные данные представлены в Приложении 1.
Применимость
Второй ряд сопел используется в качестве стандартных для новых вагранок с
холодным дутьем и может применяться на существующих установках во время
восстановительных работ. Эту технологию обычно не применяют для работы с
горячим дутьем.
Экономические показатели
Раздельная вагранка хорошо показала себя на практике, как способ получения
экономической выгоды при небольших инвестиционных затратах.
Капитальные затраты на преобразование существующих вагранок для работы с
раздельным дутьем низки по сравнению с полученной прибылью. BCIRA приводил в
пример один британский литейный завод, где период окупаемости составил около
четырнадцати недель. Большой Канадский литейный завод получил прибыль 170000
канадских долларов в течение одного года при вложениях всего 18000.
Дополнительным преимуществом, полученным при уменьшенном расходе кокса на
тонну чугуна является более низкое содержание серы, это позволяет сэкономить на
мероприятиях по очистке серы и дает более высокое качество чугуна.
Дополнительные данные по экономике представлены в Приложении 1.
Движущие силы внедрения
Увеличение эффективности плавки.
Примеры заводов
Во Франции, все современные вагранки с холодным дутьем используют 2 ряда
сопел: STAUB (Merville), FONTE ARDENNAISE (Vivier au court), BERNARD HUET
(Vivier au court). Существует также 1, использующий горячее дутье с 2 рядами сопел:
FIDAY GESTION (Chassey les Scey)
Справочная литература [1], [3], [7], [72]
8.2.1.6 Обогащение подаваемого воздуха кислородом
Описание
Термический КПД вагранки с холодным дутьем может быть увеличен путем
обогащения кислородом, подаваемым для горения. Это способствует получению
более высокой температуры сгорания кокса. Таким образом, расход кокса может
быть уменьшен, или обеспечена более высокая температура загружаемого металла.
По сравнению с обычной работой, непрерывное использование кислорода дает
одно из следующих преимуществ:
- более высокую температуру металла, более высокую степень науглероживания
и более низкий угар кремния при плавке при одном и том же расходе кокса, или
- более низкий расход кокса при заданной температуре металла, без увеличения
степени науглероживания или снижения угара кремния при плавке, или
- увеличенный выход из существующей вагранки, как результат увеличения
скорости плавки. Инжекция кислорода обеспечивает ускорение реакции и далее
компенсирует небольшие изменения в технологическом режиме. Таким образом,
инжекция кислорода часто используется периодически, обычно всякий раз, когда
процесс требует регулировки.
Эффективность кислорода зависит от метода, которым он подается в вагранку.
Были разработаны три процесса:
- Прямое обогащение поступающего воздуха. Кислород подается в основной
трубопровод, - эта методика применяется в большинстве вагранок с холодным
дутьем;
- Инжекция в зону горения. Кислород подается в коксовый слой из кольцевой
магистрали, которая снабжена водоохлаждаемыми инжекторами, число которых
зависит от размера вагранки. Кислород, используемый таким образом, по крайней
211
П-ООС 17.02-02-2012
мере, в два раза эффективней, чем при непосредственном его использовании для
обогащения дутья. Однако этот тип инжекции ограничен непрерывно загружаемыми
вагранками, так как при прерывании загрузки существует риск подъема шлака и/или
металла до уровня инжекторов. Методика была разработана в Великобритании, но
не нашла широкого распространения;
- Инжекция в сопло. Кислород подается в вагранку через инжекторы,
вставленные в каждое рабочее сопло или в дополнительное сопло. Эффективность
этого метода находится между непосредственной подачей в поток сжатого воздуха и
хорошими инжекционными методами. Эта методика используется в 20 – 30 %
случаев, но больше при работе с горячим дутьем.
Методы кислородной инжекции представлены на Рисунке 8.1.
Рисунок 8.1 - Различные методы инжекции кислорода [11]
Экологические эффекты от внедрения метода
Применение кислорода приводит к уменьшенному расходу кокса и лучшему
контролю за технологическим процессом. Кроме того, сообщается о снижении в
выбросе диоксинов и фурфуранов из вагранок с холодным дутьем (смотрите раздел
8.5.1.4).
Воздействие на различные среды
Эта технология требует кислорода, который производится за пределами завода
и включает потребление электроэнергии.
Эксплуатационные данные
По сравнению с обычной работой с холодным дутьем с помощью одного ряда
сопел, ожидается, что увеличение температуры загружаемого металла, полученное
при заданной загрузке кокса, будет следующим:
- обогащение дутья + 15 ºC
- инжекция в зону горения - + 85 ºC
- инжекция в сопла + 40 ºC
Работа с раздельным дутьем при непосредственном обогащении воздушного
потока, приводит к увеличению температуры загружаемого металла до 85 ºC, по
сравнению с работой с холодным дутьем. При работе с раздельным дутьем, ни
инжекция в зону горения, ни инжекция в сопла не дадут больших преимуществ по
сравнению с обычным методом непосредственного впрыска.
212
П-ООС 17.02-02-2012
Важным моментом при использовании кислорода должно быть увеличение
скорости плавки существующей вагранки, увеличивая ее обычную оптимальную
мощность плавки. В вагранках с раздельным дутьем скорость плавки увеличивается
приблизительно на 6,8 %, а температура загружаемого металла примерно на 20 ºC
на каждый 1 % непосредственного обогащения кислородом воздушного потока. Если
увеличение температуры не требуется, и количество загружаемого кокса снижено, то
при той же скорости дутья и степени обогащения кислородом может быть получено
еще большее увеличение скорости плавки.
Дополнительные Эксплуатационные данные представлены в Приложении 1.
Применимость
Сегодня почти все европейские вагранки с горячим дутьем нагнетают кислород
через сопла. Для печей с холодным дутьем использование обогащения кислородом
можно рассматривать как стандартную методику. В этом случае, обычно,
используется обогащение потока. Уровень кислорода в окисляющей воздушной
смеси обычно составляет 22 - 25 % (т.е. обогащение составляет 1 % - 4 %).
Экономические показатели
Результат, который оказывает использование кислорода на затраты при плавке,
зависит от цены кислорода, которая, в свою очередь, связана с используемым
количеством. Литейные заводы с большой производительностью могут закупать
кислород более дешево. Экономический эффект от использования кислорода
должен рассчитываться для каждого конкретного случая.
Существенное увеличение выхода дает возможность литейным заводам
увеличить производительность без высоких капиталовложений в новые технологии и
уменьшить затраты и сверхурочные выплаты настолько, что полное снижение затрат
достаточно, чтобы компенсировать стоимость кислорода. При таких инновациях
необходимо учитывать возможность изготовления дополнительных литейных форм
и стержней.
Движущие силы внедрения
Оптимизация эффективности и контроля процесса плавки.
Примеры заводов
Эта методика обычно применяется на европейских литейных заводах,
использующих вагранки.
Справочная литература [1], [73]
8.2.1.7 Подогрев горячего воздуха вагранки HBC (вагранка с горячим
дутьем)
Описание
Дополнительным способом увеличения температуры пламени является
подогревание воздушного потока до 800 – 900 ºC. Для этого используется инжекция
воздушной плазмы или нагревание в трубчатых нагревателях. Опыт показывает, что
увеличение температуры дутья на 200 ºC, от 550 ºC до 750 ºC, что требует 60 кВтч
на тонну чугуна, экономит 10 кг кокса на тонну расплава. Основным преимуществом,
даже более важным, чем экономия кокса, является гибкость процесса: почасовой
выход может быть увеличен на 30 % без изменения зоны плавки. Кроме того,
применение подогрева позволяет использовать в качестве сырья от чистого
литейного чугуна до стали, с последующим положительным экономическим
результатом.
Экологические эффекты от внедрения метода
Сниженный расход кокса и увеличенная эффективность процесса.
Воздействие на различные среды
Электрический нагрев вызывает увеличение потребления электроэнергии (58
кВтч/тонну).
Эксплуатационные данные
213
П-ООС 17.02-02-2012
Эксплуатационные данные представлены в Приложении 1. Нагревание
воздушного потока приводит к потреблению меньшего объема отходящего газа по
сравнению с работой вагранки с горячим дутьем. По сравнению с инжекцией
кислорода, объем отходящего газа и потребление электроэнергии возрастет.
Применимость
Методика относится к новым и уже существующим печам HBC.
Эта технология (как с электрическим, так и с плазменным нагреванием)
позволяет достигнуть подобного результата при инжекции кислорода через сопла, но
может использоваться в более сложных системах и требует большого объема
отходящего газа. Кроме того, инжекция кислорода компенсирует утечки в воздушной
магистрали.
Экономические показатели
Данные по экономике представлены в Приложении 1.
Движущие силы внедрения
Оптимизация эффективности и управления процессом плавки.
Примеры заводов
PSA, Sept-Fons, Франция
Три литейных завода во Франции используют трубчатые нагреватели.
Справочная литература [73]
8.2.1.8 Минимальные периоды отключения дутья для HBC
Описание
Вагранка, имеющая периодическое дутье, не будет работать эффективно, что
приведет к снижению температуры загружаемого металла, как показано на Рисунке
8.2.
Рисунок 8.2 - Влияние периодического отключения дутья на температуру
загружаемого металла в вагранке [11]
Часто кратковременное отключение дутья приводит к следующим последствиям
для металла:
- снижается средняя температура загружаемого и разливаемого металла и
увеличивается степень изменения их состава, с последующим риском изготовления
дефектных отливок;
214
П-ООС 17.02-02-2012
- увеличивается изменения состава металла, особенно содержание углерода и
кремния с опасностью отливки 'некондиционного' металла;
- увеличивается расход кокса, вследствие попыток оператора улучшить
температуру загружаемого металла;
- изменяется степень образования раковин в чугуне и увеличивается его усадка.
Технологии формовки и отливки, поэтому, программируются при соблюдении
разумных постоянных требований к металлу, таким образом, минимизируя или даже
устраняя возможность кратковременных периодов отключения дутья или больших
изменений его скорости.
В случае, когда неизбежны большие изменения расхода металла, можно
рассматривать возможность установки электрической сортировочной печи. Это
поможет обеспечить большой буферный резервуар для металла, компенсирующий
изменения расхода так, чтобы вагранка могла работать непрерывно при разумной
скорости дутья. Кроме того, это может использоваться для выравнивания изменений
температуры и состава металла.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение потребления кокса. Более высокий энергетический КПД процесса.
Воздействие на различные среды
Работа электрической раздаточной печи вызывает повышенный расход энергии.
Применимость
Эта метод применяется на всех новых и существующих вагранках.
Экономические показатели
Необходимо внимательно просчитать экономику установки раздаточной печи,
особенно на литейных заводах с относительно низкой производительностью.
Движущие силы внедрения
Увеличение эффективности процесса литейного завода.
Примеры заводов
Применяемый режим дутья представляет собой часть рабочих технологий на
всех европейских литейных заводах, использующих вагранки.
Справочная литература [11]
8.2.1.9 Безкоксовая вагранка
Описание
В вагранке, не использующей кокс в качестве топлива, масса загружаемого
металла нагревается при сгорании природного газа. Вместо традиционного
коксового слоя, загружаемый металл попадает на подложку из огнеупорных сфер,
расположенных на водоохлаждаемой решетке. Капли расплавленного металла
проходят через эту подложку и собираются в металлоприемнике внизу печи. Срок
службы сфер, подвергаемых воздействию температуры плавки металла, ограничен.
Поэтому, безкоксовая вагранка работает при пониженной температуре (1400 ºC
вместо 1500 ºC), и нагрев жидкого металла осуществляется в подсоединенной
индукционной и газовой печи (дуплексная работа).
215
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 8.3 - Безкоксовая вагранка при дуплексном режиме работы [13]
Важным фактором, влияющим на работу, является то, что безкоксовая вагранка
должна работать непрерывно. Существует высокий риск засорения и забивания
охлажденных колосников. В случаях, когда появляется необходимость остановить
поток металла (например, из-за проблем, возникающих в цехе формовки), мощность
горелок можно снизить до 35 – 40 %, чтобы компенсировать охлаждение
металлоприемника. Потребность в непрерывности работы должна быть
сбалансирована с наличием огнеупорной футеровки в зоне плавки. Поэтому, обычно
используются металлургические кампании, непрерывно работающие в течение
минимум одной недели.
Окислительная атмосфера и относительно низкая температура пламени
вызывают интенсификацию процессов окисления. Это ограничивает возможность
загрузки стали. В производстве чугуна с шаровидным графитом используется
максимальное количество стали, равное 35 %, хотя в обычной практике
используется 20 %. Качество загружаемой стали должно точно контролироваться,
так как безкоксовая вагранка более восприимчива зависанию шихты, чем вагранка,
работающая на коксе.
В производстве чугуна с шаровидным графитом, важное преимущество
безкоксовой вагранки состоит в отсутствии потребности к ресульфурированию,
таким образом, расплав может использоваться сразу после рекарбюризации.
Экологические эффекты от внедрения метода
Помимо более высокого термического КПД, эта печь имеет другие
преимущества, связанные с экологией. При сгорании природного газа вместо коксов
в топочном газе происходят следующие изменения:
- меньше пыли (0.8 кг/т загружаемого металла, вместо 10 - 15 кг/т загружаемого
металла для вагранки с холодным дутьем);
- отсутствие угарного газа CO или SO2 , и меньшее содержание CO2 (120 кг/т
загружаемого металла, вместо 450 кг CO2 на тонну загружаемого металла для
вагранки с холодным дутьем);
216
П-ООС 17.02-02-2012
- уменьшение скорости отходящего газа (495 м³/т загружаемого металла, вместо
770 м ³/т загружаемого металла для вагранки с холодным дутьем без
водоохлаждаемого огнеупорного слоя), и, следовательно, установка для
обеспыливания может быть спроектирована намного меньших размеров.
Воздействие на различные среды
Использование плавки в безкоксовой вагранке требует наличия дуплексного
режима работы для обеспечения разогрева чугуна. При использовании
индукционной электропечи возрастает потребность в электроэнергии, по сравнению
с работой с использованием горячего дутья.
Эксплуатационные данные
Эксплуатационные данные представлены в таблице 8.6. Печь обычно работает
при коэффициенте использования воздуха λ = 1,15. Допустимая нагрузка печи может
быть высокой (часто до 10 - 12 т/м².час). Количество сфер составляет 1 - 1.4 % от
загружаемого металла. Энергетический КПД вагранки, без учета индукционной
электропечи, находится в диапазоне 70 %.
Таблица 8.6 - Типичные эксплуатационные данные для безкоксовой
вагранки [7]
Единицы
Потребление природного газа
Предварительный нагрев печи
Плавление
Расход электроэнергии
a) Подогреватель
Подогрев
Поддержание температуры
b)
Вспомогательное
оборудование
Расход
футеровочного
материала
Шахта печи
Фурма
Подогреватель
Потребление воды
Потребление кислорода
Металлическая шихта
Легирующие присадки
Потребление (на
тонну расплавленного
металла)
м³
м³
600
48,0
кВт час
кВт час
кВт час
64,0
15,0
25,0
кг
кг
кг
м³
м³
Компоненты
сталь
чугун в чушках
возвратный
лом
/литейный чугун
Компоненты
Карборизатор
Брикеты - Si
Керамические шары
Компоненты
для
формирования шлака
5-8
0,7
0,5
0,4
19,7
Часть (%/т)
25 - 35
20 - 30
35 - 55
Часть (%/т)
1,1
0,8
0,95
0,3
217
П-ООС 17.02-02-2012
Из-за отсутствия кокса (и CO), в системе безкоксовой печи не происходит никаких
скрытых потерь теплоты. В шахте происходит полная рекуперация теплоты
отходящего газа. При дуплексном режиме работы (например, вместе с индукционной
электропечью) может быть получена эффективность в диапазоне 40 - 60 %.
Термический КПД для вагранки, работающей на коксе, изменяется между 25 %
(холодное дутье) и 45 % (горячее дутье, длительный процесс).
Сравнительные данные по выбросам для безкоксовых вагранок и вагранок с
горячим дутьем представлены в таблице 8.7. Они соответствуют следующим
конфигурациям:
- безкоксовая вагранка: отбор выпускных газов ниже шихты; окисляющая
атмосфера (λ = 1.15); отсутствие дожигания; сухая фильтрация;
- вагранка с горячим дутьем: отбор выпускных газов ниже шихты; дожигание в
отдельной камере, последующая рекуперация и сухая фильтрация.
Таблица 8.7 - Данные по выбросам безкоксовой вагранки и вагранки с
горячим дутьем [74]
Безкоксовая
Услови
я работы
Газ
Разход
энергия
Н
м³/т т
Вагранка с горячим дутьем
кг/
Усло
Н
кг/
вия
м³/т т
работы
50
Нм³/т
500
кВт/Нм³
1,15
Кокс
Сталь
Науглерожива
ние
Общее
содержание
углерода
Топочный газ
12 %
50 %
1,9
%
9%
55
0
CO2
9,1
50
98
6%
%
H2O
O2
CO
NOx
SO2
18,
10
2%
0
2,7
15
%
<1
<5
<6,
%
,5
9
155
85
- 375
- 210
мг/Нм³
г/т
-
Можно сделать следующие выводы:
218
2
930
1
76
6
34
15 %
10
мг/Нм³
205
мг/Нм³
100
мг/Нм³
29
г/т
15
0 г/т
30
0 г/т
П-ООС 17.02-02-2012
- безкоксовая вагранка выбрасывает в пять раз меньше отходящих газов, чем
вагранка с горячим дутьем. Это главным образом обусловлено последующим
дожиганием, которое способствует поступлению дополнительного воздуха в камеру
для дожигания вагранки с горячим дутьем. Как следствие этого, безкоксовая
вагранка может быть оборудована более малой системой обработки отходящего
газа;
- безкоксовая вагранка испускает в 3 - 4 раза меньше CO2, чем вагранка с
горячим дутьем;
- безкоксовая вагранка испускает больше CO, который сгорает в случае вагранки
с горячим дутьем;
- уровни выбросов NOx и SO2 являются низкими, по сравнению с современными
предельными значениями для выбросов (например, для Франции, 500 мг/нм³ и 300
мг/нм³, соответственно);
- если используется сухая фильтрация, то обе технологии имеют низкие
значения по выбросам пыли.
Применимость
Технология применяется в новых установках, производящих большие серии
изделий. Для безкоксовой вагранки необходим постоянный и непрерывный режим
работы. Из-за высоких потерь на окисление и высокого риска зависания шихты, эта
технология требует загрузки очищенного сырья с содержанием стали, максимум, 35
%. Так как отсутствует процесс сульфуризации, технология представляет особый
интерес для производства чугуна с шаровидным графитом.
Экономические показатели
Данные относительно рабочих затрат (на 1999 г.) представлены в таблице 8.8, в
сравнении с рабочими затратами для вагранок с горячим дутьем (установленными
как100 %). Эти значения относятся к оборудованию, производительностью 12 т/час и
основаны на изучении 3 безкоксовых вагранок, работающих в Европе.
Таблица 8.8 - Рабочие затраты для безкоксовой вагранки, по отношению в
затратам для вагранки с горячим дутьем (установленными как 100 %) [7]
Сырье Дополнительные Энергия
Сравнительный
(%)
материалы
плавки
+ коэффициент
(%)
жидкости
(%)
Серый
литейный
чугун
Безкоксовая
вагранка,
работающая на
газе
Вагранка
с
горячим дутьем
Чугун
с Безкоксовая
шаровидным вагранка,
графитом
работающая на
газе
Вагранка
с
горячим дутьем
83
6
11
116
69
8
23
100
81
6
13
104
69
8
23
100
Представленные в таблице значения, рассчитаны в 1999 г., однако с тех пор
произошло увеличение цены кокса. Исходя из этих табличных данных, можно
заключить, что в Европе безкоксовая вагранка, производительностью 12 т/час:
- производит более дорогой серый литейный чугун;
219
П-ООС 17.02-02-2012
- производит чугун с шаровидным графитом при цене, весьма подобной цене для
вагранки с горячим дутьем.
Сравнение очень зависит от местной цены на энергию и материалы.
Движущие силы внедрения
Снижение выбросов вагранки.
Примеры заводов
- Düker, Laufach (Германия): 15 т/час для производства чугуна с шаровидным
графитом
- Düker-Kuttner, Lingotes Especiales, Valladolid (Европа): 16 т/час для производства
серого чугуна с шаровидным графитом
- Hayes Hydraulic Castings (Великобритания), 5 - 6 т/час для производства ковкого
чугуна с шаровидным графитом.
Справочная литература [1], [13], [74]
8.2.1.10 Вагранка, использующая кокс и газ
Описание
Принцип работы вагранки, использующей кокс и газ, - часть кокса заменяется
газом. Существует две технологии для сжигания природного газа в вагранке:
- использование топливовоздушных горелок, расположенных выше сопел дутья;
- использование кислородных горелок, расположенных непосредственно в
соплах для дутья.
В настоящее время, вагранки, использующие кокс/воздушно-газовую смесь,
находят ограниченное применение в Европе. Это может быть обусловлено
трудностями управления процессом и большой сложностью конструкции оболочки
печи.
В 1994 г. были внедрены воздушно-газовые горелки. Помимо сжигания
воздушно-газовое смеси, это допускало введение пыли в сопла для дутья для
рециркуляции, хотя практически эта опция не применялась. Воздушно-газовые
горелки размещаются в 1/3 – 1/2 сопел. Приблизительно 10 % энергии сгорания
кокса замещается природным газом, приводя к расходу газа 8 - 16 нм³/тонну. Это
связано с полным потреблением кислорода (горелки + форсунки для кислорода) от
40 до 60 нм³/тонну. Применение этой технологии способствует большой гибкости в
производстве и/или металлургии.
Результат и использование воздушно-газовых горелок зависят от конкретной
вагранки. В вагранках с холодным дутьем данная технология используется для
упрощения перезапуска или для снижения количества потребляемого кокса. В
технологии с горячим дутьем эта метод используется для увеличения
производительности печи без изменения системы загрузки металла. Замена части
кокса на CH4 приводит к снижению объема отходящего газа. Это используется для
увеличения производительности печи, без установки дополнительной системы
очистки отходящего газа.
Эта технология приводит к увеличению содержания углерода в расплаве и
позволяет увеличить количество стали в шихте. Процесс обеспечивает способ
инжектирования FeSi в виде порошка, который менее дорог, по сравнению с рудой.
Эти свойства приводят к получению экономического эффекта.
Экологические эффекты от внедрения метода
Замена части кокса на CH4 приводит к снижению объема отходящего газа. Кроме
того, образуется более горючий топочный газ, благодаря высокому содержанию CO
и H2. Если используется процесс дожигания, то в результирующих отходящих газах
будет низкий уровень органических соединений и CO.
Замена кокса на природный газ снижает уровень выброса SO2.
Эта технология позволяет вводить в расплав вторичную пыль вагранки. Хотя,
после некоторых начальных попыток, такое применение полностью не развилось.
220
П-ООС 17.02-02-2012
Сокращение уровня кокса, используемого в вагранке, увеличивает риск
зависания шихты.
Воздействие на различные среды
Производство, хранение и использование кислорода увеличивает риск.
Производство кислорода осуществляется путем криогенной перегонки или
вакуумной (под давлением) адсорбции, причем оба этих процесса требуют
дополнительного расхода электроэнергии. Потребление O2 при использовании
последней технологии составляет 0,35 – 0,38 кВтч/нм³O2. Производство кислорода
часто осуществляется внешним поставщиком, который поставляет кислород в
резервуары для хранения или прямо по трубопроводу.
Эксплуатационные данные
Литейный завод AGA-Rayburn Foundry (Coalbrookdale, Великобритания)
оборудован кислородными горелками в 3 из 8 сопел для дутья в вагранках с
холодным дутьем, что позволило уменьшить полный расход кокса от 15 % до 10 %.
Это привело к уменьшению содержания серы в производстве чугуна, что
впоследствии позволило снизить количество используемого чугуна в чушках, и,
следовательно, дало экономический эффект.
Литейный завод Fritzwinter (Германия) оборудован кислородными горелками в 3
из 6 сопел для дутья в вагранках с горячим дутьем производительностью 20 – 25
т/час. Это позволило увеличить производительность до 28 т/час без изменения
системы загрузки и системы очистки отходящего газа. Данные по составу
отходящего газа перед сгоранием представлены в таблице 8.9.
Таблица 8.9 - Влияние воздушно-газовых горелок на состав отходящего
газа для вагранки с горячим дутьем, в % [75]
H2
CO
O2
С кислородом
С кислородом
без воздушно-газовых горелок с воздушно-газовыми горелками
0,8 - 1,2
2,2 - 2,4
14 - 15
19
2
2
Применимость
Эта технология может применяться как в вагранке с холодным, так и с горячим
дутьем, как в новых, так и в существующих установках. Преимущества, полученные
при применении этой технологии (увеличенная гибкость, экономическая прибыль,
снижение объема отходящего газа, увеличенная производительность), будут
зависеть от конкретного режима плавки, используемого в рассматриваемой
установке. По сообщениям, метод вызывает трудности по управлению процессом и
также увеличивает сложности конструкции оболочки печи.
Экономические показатели
Рабочие затраты до и после перевода вагранки с холодным дутьем на работу с
кислородом
для
вышеуказанного
литейного
завода
Aga-Rayburn
Аги
(Великобритания) представлены в таблице 8.10. Цены являются прогнозными, по
расчетам CTIF (Франция).
Таблица 8.10 - Рабочие затраты для вагранки с холодным дутьем с и без
использования кислородных горелок [75]
Вход
Единиц
ы
Цен
а за
единиц
Без горелок
С горелками
221
П-ООС 17.02-02-2012
у
Евр
о
Кокс
Газ
Кисл
ород
тонна
Нм³
Нм³
Потреб
Цена
Потребл
Цена
ле-ние на евро/тонну ение на
евро/тонн
тонну
тонну
у
198
0,15
29,7
0,1
19,8
0,15
0
16,5
2,5
0,38
14
5,4
0.23
164,
40
0
Чугун
тонна
0,2
32,9
в чушках
6
Чугун
тонна
125,
0,2
37,7
0,5
ный лом
8
Сумм
ЕВРО/то
105,7
а
нну
Все величины даны на тонну расплавленного металла
9.2
62,9
94,4
Рабочие затраты уменьшаются от 105 евро до 94 евро за тонну расплавленного
металла. Экономический эффект в основном может быть обусловлен снижением
применения чугуна в чушках. Это также подтверждает тот факт, что баланс будет
отличаться для каждого конкретного литейного завода.
Движущие силы внедрения
Увеличение гибкости литейного завода и/или увеличение производительности
существующих установок, не изменяя их конструкции.
Примеры заводов
- Литейный завод AGA-Rayburn (Coalbrookdale, Великобритания)
- Литейный завод Fritzwinter (Германия)
Справочная литература [73], [75]
8.2.2 Электродуговая печь
8.2.2.1 Сокращение времени плавки и подготовки
Описание
Улучшенные методы контроля могут привести к более короткому времени плавки
или подготовки. Некоторые примеры:
- точный контроль состава (например, содержания C, S, P) и веса загружаемых
материалов и материалов, способствующих образованию шлака;
- достоверный контроль температуры расплава, - это может улучшить выход
очищающихся реакций и избежать перегрева;
- более эффективные методы выборки и удаления шлака могут уменьшить время
простоя печи.
Вторичная металлургия, использующая подготовку AOD/VODC, сокращает время
работы печи EAF и оказывает положительное влияние на энергопотребление. Эта
технология обсуждается далее в разделе 8.5.7.1.
Экологические эффекты от внедрения метода
Увеличение мощности печи в течение более коротких промежутков времени
плавки и снижение времени простоя.
Воздействие на различные среды
Никаких побочных эффектов не наблюдается.
Применимость
Этот метод относится ко всем новым и существующим печам EAF
(электродуговые печи).
Движущие силы внедрения
222
П-ООС 17.02-02-2012
Увеличение эффективности процессов плавки и подготовки.
Примеры заводов
Эта технология находит широкое распространение на европейских литейных
заводах, использующих плавление в печах EAF.
Справочная литература [1], [7]
8.2.2.2 Метод пенообразования шлака
Описание
Метод
пенообразования
шлака,
использующийся
в
сталелитейной
промышленности, состоит в одновременном инжектировании кислорода и углерода
(в форме каменноугольной пыли) в шлак в конце процесса плавки. Шлаковая пена
образуется при воздействии пузырьков CO. Газ CO образуется в процессе
окисления углерода в металле под действием кислорода, а также в процессе
снижения оксидов железа (FeO) путем введения углерода.
Создание пенообразного шлака улучшает теплопередачу к загружаемому сырью
и защищает огнеупорную футеровку печи. Из-за хорошей устойчивости дуги и
небольшого воздействия излучения, пенообразование шлака приводит к снижению
расхода энергии, расхода электродов, уровня помех и
увеличивает
производительность.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение расхода энергии и расхода электродов, уменьшение уровня помех и
снижение объема отходящего газа.
Воздействие на различные среды
Так как возрастает объем шлака, могут понадобиться увеличенные ковши для
его отбора. После выпуска плавки, производится дегазация шлака. Не известны
случаи, оказывающие неблагоприятное влияние на возможность повторного
использования шлака.
Эксплуатационные данные
В таблице 8.11 представлены Эксплуатационные данные для 60-тонной дуговой
электропечи и указаны данные по энергосбережению, времени работы, расходу
огнеупорного материала и электродов.
Таблица 8.11 - Данные по расходу энергии и по температуре печи EAF,
работающей с нормальным и пенообразным шлаком [7]
Единицы
Полная мощность
Радиационные потери дуги,
влияющие на отходящий газ
Поток отходящего газа
Конечная температура
- металл
- шлак
- отходящий газ
- огнеупорные материалы
Расход энергии
- электроэнергия
- уголь
Мвт
Мвт
м³/час
°C
кВт
час/тонну
Нормальный
Пенообразн
шлак
ый шлак
25
30
6
0
41000
28000
1630
1603
1463
1528
1630
1753
1607
1674
50,8
37,1
37,7
22,6
223
П-ООС 17.02-02-2012
Потери энергия
- металл ( H)
- шлак (ΔH)
- потери печи
- потери отходящего газа
- другие потери
Время нагрева 1584 - 1630 °C
Скорость нагрева
кВт
час/тонну
10,4
10,4
1,1
9,4
20,7
14,1
53,6
24,8
2,5
1,6
мин
11 мин 45
7 мин 30 сек
°C/мин
сек
6,1
3,9
Плотность шлака снижается от 2,3 тонн/м³ до 1,15 – 1,5 тонн/м³.
Применимость
Эта технология применяется на новых и существующих литейных заводах,
использующих печи EAF с инжекцией кислорода.
Движущие силы внедрения
Увеличение эффективности работы печи.
Справочная литература [1], [7], [38]
8.2.3 Индукционная электропечь
8.2.3.1 Оптимизация процесса: оптимизация материалов шихты, загрузка и
работа
Описание
Опции процесса оптимизации для индукционных электропечей без сердечника
включают:
- Оптимизация состояния сырья. Это включает удаление ржавых и грязных
отходов, использование оптимального размера и плотности входного лома и
использование процессов карбюризации для очистки. Эти методы сокращают время
плавки, снижают удельную энергию, необходимую для плавки и/или снижают
количество сформировавшегося шлака;
- Закрытая крышка печи. Окисление можно уменьшить, тщательно закрывая
крышки печи и ненужные постоянно открытые отверстия, с помощью быстрой
загрузки или при использовании защитной среды над расплавом (N2). Время,
необходимое для доступа, должно быть минимизировано, чтобы предотвратить
энергетические потери. Время, необходимое для загрузки, удаления шлака,
измерения температуры, отбора образцов и розлива металла составляет 50 % - 25
% рабочего времени. Последняя схема представляет технологию новых печей,
работающих при оптимизированных условиях. Хорошо закрытая крышка
ограничивает потери на поверхностную теплоотдачу приблизительно до 1 %
потребляемой мощности. При ее открытии теплоотдача может составить до 130
кВтч/тонн для 10-тонного модуля. При плавлении с закрытой крышкой необходимо
следить за возможным перегревом печи;
- Минимизация времени простоев. Так как плавление является первой
стадией в цепи процесса литейного завода, уменьшение продолжительности
простоев может быть получено только путем общей оптимизации всего процесса
литейного завода и путем минимизации задержек, проблем и ошибок в работе
каждого из цехов литейного завода. При останове регулировка состава выполняется
на основе результатов анализа, сделанного на пробном образце. Оптимизация
процесса выборки, испытаний и регулировочных процедур является другим методом
снижения продолжительности простоев;
- Работа на максимальном уровне потребляемой мощности. Печи
наиболее эффективны по использованию энергии, когда они работают на
максимальных уровнях мощности, а лучшие результаты получаются, когда полезная
мощность максимально используется для цикла плавки. Сюда также включается
224
П-ООС 17.02-02-2012
сокращение холодных стартов процесса (оптимизация производственной
программы) и использование жесткой обратной связи, использующей контроль и
управление ЭВМ;
- Избегайте чрезмерной температуры и лишнего перегрева. Важно, чтобы
металл достигал заданной температуры только в то время, когда цех формовки
имеет возможность его принять. Хорошая взаимная согласованность между цехами
плавки и формовки является основным условием для минимизации использование
электроэнергии;
- Оптимизация высокотемпературных плавок для скачивания шлака
(хороший баланс). Образование низкоплавкого шлака можно уменьшить путем
нагрева печи до повышенных температур (1580 ºC, по сравнению с нормальной 1450
ºC). Это приводит к более высокому расходу энергии и может повлиять на
металлургические аспекты расплава. Если шлак образуется на футеровке печи, он
может оказать вредное влияние на электрический КПД печи. Удаление шлака
требует открытия крышки печи, и таким образом вызывает тепловые потери.
Необходимо найти хороший баланс между увеличением температуры расплава и
практикой удаления шлака;
- Предотвращение образования шлака. Более общими и проблемными
моментами являются случаи, которые касаются образования при высоких
температурах плавки. Это главным образом обусловлено загрузкой в расплав песка
и, в случае плавки чугуна, металлического алюминия. Некоторые операторы
пытаются добавить флюс и применять очистительные процедуры, но в этом
отношении лучше предотвратить процесс, чем с ним бороться. Это касается
уменьшения количества песка и Al в сырье;
Малая
инжекция
кислорода.
Вместо
использования
условного
обезуглероживания;
- Минимизация износа и контроль за состоянием огнеупорной
футеровки. Срок службы огнеупорной футеровки зависит от выбора материалов,
как функции химического состава шлака (кислотный или основной), рабочей
температуры (сталь, литейный чугун, цветные металлы) и профилактикой футеровки
(спекание). Срок службы футеровки может меняться от 50 (сталь, литейный чугун) до
200 – 300 (литейный чугун) плавок. Следует использовать меры рабочего контроля,
чтобы отслеживать износ огнеупорного материала. Они включают визуальный
осмотр, физические измерения и программы инструментального контроля. Хорошие
практические критерии профилактики помогают предотвратить влияние дефектов
загрузочных систем и их механическое повреждение. Они включают использование
автоматических систем загрузки, горячей загрузки, не допущения падения лома с
большой высоты и использование компактных и сухих отходов.
Экологические эффекты от внедрения метода
Увеличенная мощность печи в течение более коротких промежутков плавки и
снижение времени простоя.
Воздействие на различные среды
Никаких побочных эффектов не наблюдается.
Эксплуатационные данные
Обычная печь без сердечника может плавить тонну чугуна и доводить
температуру жидкого металла до 1450 ºC, используя менее 600 кВтч электроэнергии.
Однако, на практике только несколько литейных заводов смогли достигнуть этого
уровня удельного расхода при понедельном учете. Некоторые литейные заводы
потребляют около 1000 кВтч на каждую тонну чугуна, произведенного в печах без
сердечника. Имеющиеся ситуации на многих литейных заводах могут ограничить
область применения хорошего энергетического контроля, но фактически почти все
225
П-ООС 17.02-02-2012
плавки такого рода могут быть оптимизированы по потреблению электроэнергии,
используемого на тонну полученного чугуна.
Применимость
Данная технология применяется на всех новых и существующих индукционных
электропечах.
Движущие силы внедрения
Увеличение эффективности работы печи.
Примеры заводов
Критерии оптимизации процесса обычно применяются на европейских литейных
заводах, использующих индукционные электропечи.
Справочная литература [1], [3], [13], [16], [76]
8.2.3.2 Изменение рабочей частоты печи
Описание
При работе на средней рабочей частоте (250 Гц) печи имеют более высокую
удельная мощность (до 1000 кВт/тонну), чем при работе на промышленной частоте
сети (50 Гц) (300 кВт/тонну). Это позволяет использовать небольшой тигель
(примерно в три раза меньший), что приводит к более низким общим потерям тепла.
Термический КПД печей, работающих на средней частоте, на 10 % выше, чем при
работе на промышленной частоте. Кроме того, системы, работающие на
промышленной частоте, должны иметь зеркало расплавленного металла до 2/3
поверхности тигля, чтобы оптимизировать удельный расход энергии, и также
требуют специальных блоков запуска для холодного пуска. Печи, работающие на
средней частоте, могут запускаться при холодной загрузке и освобождаться в конце
каждого рабочего цикла или партии плавки.
Когда работа литейного завода преобразовывается с промышленной частоты к
работе на средней частоте, важно, чтобы персонал печи прошел некоторую
переквалификацию. Рабочие методы, формально используемые до настоящего
времени, должны быть отклонены, а внедрены должны быть новые специальные
процедуры, разработанные для уменьшения удельного расхода энергии. Если
переквалификация не проводится, то возможные усовершенствования по части
энергопотребления не могут быть полностью реализованы.
Экологические методы от внедрения метода
Увеличенный энергетический КПД плавки.
Воздействие на различные среды
Никаких побочных эффектов не наблюдается.
Эксплуатационные данные
Эксплуатационные данные представлены в разделе 7.2.4.
Применимость
Эта метод относится к новым технологиям и применяется при капитальном
обновлении существующих установок.
Движущие силы внедрения
Увеличение эффективности работы литейного завода.
Примеры заводов
Эта технология обычно применяется на литейных заводах, на которых
устанавливаются новые печи.
Справочная литература [16]
8.2.4 Роторная печь
8.2.4.1 Увеличение мощности печи
Описание
Все методы, которые увеличивают термический КПД печи, в свою очередь могут
приводить к более низкому выбросу CO2.
226
П-ООС 17.02-02-2012
Основное усовершенствование было достигнуто при подаче кислорода вместо
воздуха в качестве среды горения.
Это обсуждается в разделе 8.2.4.2.
Дальнейшие улучшения выхода печи могут быть получены с помощью жесткого
контроля и оптимизации:
- режима горения;
- положения горелки;
- загрузки;
- состава металла;
- температуры.
Экологические эффекты от внедрения метода
Оптимизация приводит к более низкому количеству пыли и отходов и к более
высокой энергетической эффективности.
Воздействие на различные среды
Никаких побочных эффектов не наблюдается.
Эксплуатационные данные
Программа оптимизации для плавильной печи для производства литейного
чугуна, производительностью 3 тонны/час, предполагает следующие практические
процедуры:
- использование чистого лома и загрузки в следующем порядке: (1) слитки и
материалы с низким содержанием Si; (2) внутренние вторичные материалы и
литейный лом; (3) легирующие элементы и элементы для защиты расплава; (4)
стальной лом;
- защита расплава: использование антрацита для защиты расплава (2 % от
металла) и кремния (2 %);
- вращение: в прерывистом режиме, 1/3 оборота в минуту с общим количеством
вращений 7.5 оборотов до изменения фазы металла. При непрерывном вращении:
1.7 оборота/минуту;
- мощность и угол установки горелки: используйте параллельное положение
форсунки для инжекторов, расположенных в нижней части. Начните работы при
максимальной мощности в течение 20 минут, последовательно снижая ее на 10 %
каждые 20 минут до изменения фазы (60 минут после начала).
Используя эти методы, выход металла (расплавленный металл / загруженный
металл) может поддерживаться на уровне > 95 %.
Применимость
Принципы оптимизации обычно действуют для чугуна, плавящегося в роторных
печах, использующих кислородные горелки. Эксплуатационные данные были
получены для печей, производительностью 3 тонны/час. Для печей других размеров
необходимо проводить локальную оптимизацию.
Движущие силы внедрения
Оптимизация работы печи и увеличение эффективности плавки.
Примеры заводов
Методы оптимизации процесса обычно применяются на европейских литейных
заводах, использующих роторные печи.
Справочная литература [47]
8.2.4.2 Использование кислородных горелок
В горелках, применяемых для плавки или предварительного разогрева
разливочных ковшей, температура пламени увеличивается при использовании
чистого кислорода вместо воздуха. Это способствует более эффективной
теплопередаче к расплаву и снижает энергопотребление.
Если подача воздуха минимизирована при хорошем уплотнении резервуара, то
оксиды NOx не могут формироваться путем окисления атмосферного азота. Кроме
227
П-ООС 17.02-02-2012
того, полный поток отходящих газов от кислородной горелки меньше из-за
отсутствия азотного балласта. Это позволяет использовать небольшие установки
для обеспыливания.
Экологические эффекты от внедрения метода
Эти технологии снижают расход энергии и уменьшают выбросы NOx и CO2 при
более высоких температурах сгорания.
Воздействие на различные среды
Производство, хранение и использование кислорода увеличивает риск.
Производство кислорода осуществляется путем криогенной перегонки или
вакуумной (под давлением) адсорбции, причем оба этих процесса требуют
дополнительного расхода электроэнергии. Потребление энергии при использовании
последней технологии составляет 0.35 – 0.38 кВтч/нм³ O2.
Топливо или тяжелые нефтепродукты дают прирост выбросов SO2 или NOx, в
зависимости от содержания S или N. Использование более чистых горючих смесей,
например, природного газа и пропана, не будет вызывать дополнительного
загрязнения, за исключением CO2, как в случае всех процессов сгорания.
Эксплуатационные данные
В таблице 8.12 представлены для "кислородной" плавки литейного чугуна и
различной производительности печи теоретический расход топлива и кислорода на
тонну расплава.
Таблица 8.12 - Данные по расходу энергии (минимальная плавка) [49]
Источник
энергии
Едини
Производительность печи (в тоннах)
цы
Легкие
кг/тон
нефтепродукт ну
ы
Природны
Нм3/т
й газ
онну
Пропан
Нм3/т
онну
Кислород
Нм3/т
онну
3
33 38
5
33 38
38 43
38
38 -
43
15 -
17
8
33 37
38 43
15 17
12
32 37
38 42
15 17
20
32 -
38 42
14 16
14 16
130 130 130 130 130 150
150
150
145
145 |
Обогащение кислородом, используемое вместе с рекуператором, обычно
приводит к 30% экономии энергии. Кроме того, более высокая температура сгорания
способствует сокращению выбросов. Объем отходящего газа также снижается.
Полное сгорание кислородно-топливной смеси может дать экономию энергии до 50
% и снизить объем отходящего газа на 72 %.
Изменение режима работы немецкой установки топливно-воздушной смеси на
основе нефтепродуктов на сжигание газо-кислородной смеси, вызвало снижение
шума на 15 – 18 децибел (A) в непосредственной близости к печи, в зависимости от
точки измерения. В границах установки было получено значение 48 децибел (A). При
использовании рекуперации энергии для предварительного подогрева шихты,
сообщается о полной экономии энергии в 53 %.
Применимость
Этот метод может применяться на любой роторной печи и при предварительном
подогреве разливочных ковшей. Кислородные горелки не находят применения в
цветной металлургии, хотя они используются, например, при вторичном плавлении
меди.
228
П-ООС 17.02-02-2012
Экономические показатели
Капитальные затраты: 3400– 4500 Евро. Операционные затраты: в зависимости
от рабочего процесса.
Движущие силы внедрения
Оптимизация работы печи и увеличение эффективности плавки.
Примеры заводов
Этот метод находит широкое применение на сталелитейных заводах,
использующих роторные печи.
Справочная литература [1], [13], [48], [49],[54], [70], [77]
8.2.5 Выбор вагранки вместо индукционной или роторной печи для плавки
литейного чугуна
Описание
Учитывая тот факт, что различные технологии плавки широко применяются во
взаимно перекрывающихся областях, основным методом является выбор
технологии плавки. При таком выборе решающими критериями являются:
- тип металла;
- непрерывное производство или производство партиями;
- размер серии;
- пропускная способность по металлу или допустимая нагрузка;
- гибкость по отношению к типу и чистоте входных материалов;
- гибкость к изменению состава сплава;
- тип продукта;
- выбросы и другие экологические требования;
- доступность сырья;
- доступность топлива/электроэнергии.
Применение различных технологий плавки сильно зависит от указанных
критериев. Из представленных выше обсуждений можно сделать следующие
выводы:
- Тип металла. Электрическая печь лучше подходит для шаровидного или
легированного литейного чугуна;
- Непрерывное производство. Лучше подходит вагранка;
- Серийное производство. Лучше подходит электрическая или роторная печь;
- Гибкость по отношению к типу и чистоте входного материала. Лучше
подходит вагранка;
- Гибкость к изменению состава сплава. Лучше подходит индукционная и
роторная печи;
- Экологические требования:
а) лучше подходит вагранка, только при наличии хорошей обеспыливающей
технологии, безкоксовые вагранки оказываются лучше по экологическим
характеристикам, чем HBC или CBC;
б) индукционные печи имеют более низкое содержание CO, SO2, NOx,
диоксина, шлака, но при этом необходимо принимать во внимание разброс
требуемого энергопотребления.
- Доступность сырья. Если доступен дешевый лом, то лучше подходит
вагранка;
Фактически, все эти критерии нужно рассматривать вместе. В таблице 8.13
представлен обзор, основанный на технических данных. Экономические данные по
различным типам вагранок и индукционных электропечей представлены в
Приложении 1.
На основе установленных критериев можно рассматривать замену вагранки
индукционной или роторной печью. Выбор индукционных или роторных печей имеет
приоритет над выбором вагранок с холодным дутьем для небольших литейных
229
П-ООС 17.02-02-2012
заводов, изготавливающих продукцию в нескольких европейских странах (например,
в Австрии, Бельгии (Фландрии)).
Экологические эффекты от внедрения метода
Замена вагранки на индукционную или роторную печь приводит к снижению
прямых выбросов CO и SO2 и уменьшению количества шлака. Индукционные
электропечи способствуют снижению выбросов NOx и более низкому риску
формирования диоксина. Косвенные выбросы, образующиеся при использовании
индукционных электропечей, зависят от местной инфраструктуры получения
электроэнергии.
Воздействие на различные среды
Замена вагранки на индукционную электропечь способствует сильному
увеличению потребления электроэнергии.
Применимость
Замена вагранки с холодным дутьем на индукционную или роторную печь
проводится согласно вышеизложенным критериям и во время капитального ремонта.
Для новых установок, критерии, перечисленные в таблице 8.13, используются
кроме местных и специальных методик выбора. Если вагранка и индукционная или
роторная печи указаны как наиболее предпочтительные, то индукционные и
роторные печи имеют приоритет на основании их экологических преимуществ.
Экономические показатели
Обзор экономических данных для различных типов вагранок и индукционных
электропечей представлен в Приложении 1.
В таблице 8.14 представлен обзор информации о затратах, собранной на
примере литейного завода в Испании, где хотели заменить существующую вагранку
на роторную печь или на электропечь. Отсутствие систем сбора выбросов в затраты
на оборудования для фильтрации не включены. Данные приводятся для 1997 – 1998
гг. При сравнении следует рассматривать следующие три системы:
- вагранка с холодным дутьем: производительность 3.5 тонны/час;
- роторная печь с кислородной горелкой: загрузка 3 тонны;
- 2 индукционные электропечи, работающие на средней частоте: загрузка 2 + 1
тонны.
230
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 8.13 - Технический выбор оборудования для плавки литейного чугуна [7]
КРИТЕРИЙ
Тип
продукта
Размер
серии
ТОЛЬКО СЕРЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ ЧУГУН
Против Отлив
ове-сы
ка
колле
ктора,
трубы
,
город
ская
мебел
ь
От
Все
средне
й до
большо
й
Вагр
с
++
анка холод
ным
дутье
м
с
+
горячи
м
дутье
м
Безкок
со-вая
Индукционн
ая печь
Роторная
(+)
печь
партия
++
(<10 15
т/час)
++
(>10 15
т/час)
+
СЕРЫЙ ТОЛЬКО ЧУГУН С ТОЛЬКО
+
ШАРОВИДНЫМ ПЛАСТИЧ
ШАРОВ
ГРАФИТОМ
НЫЙ
ОЙ
ЛИТЕЙНЫ
Й ЧУГУН
Эмалиро Механичес Механи Отлив Механичес Механиче
ван-ные кие детали чес-кие
ка
кие детали
с-кие
отливки,
детали колле
детали
работаю
ктощие при
ра,
повышен
трубы
ной
,
температ
город
уре
ская
мебел
ь
От
От
От
Все
Все
От
От
От
средней пар средн
парт сред средней
до
тии ей до
ии ней
до
большой до боль
до
до большой
мал шой
мало бол
ой
й
ьсер
сери шой
ии
и
++ (<10 - 15
++ (<10 - 15
(+)
т/час)
т/час)
++ (>10 15 т/час)
+
0
++ (>10 - 15
т/час)
0
+
++
++
++
++
+
++
+ (>10 - 15 т/час)
++
(>10 15
т/час)
0
+
0
+
+
++
++
(+)
партия
или
малая
серия
++: технически более приспособлена;
+: технически приспособлена
(+): приспособлена для некоторых случаев
0: не приспособлена
++
++
++
231
П-ООС 17.02-02-2012
Расчет проводился по затратам на литейное производство, мощностью 1
тонна/час. при работе 8 часов/день. Для индукционной электропечи сделано
различие между затратами на электроэнергию в пиковое время и в обычное. Так как
затраты на электроэнергию составляют значительную часть общих затрат, это
различие имеет большое значение на конечную стоимость. Работа индукционной
электропечи в непиковое время (ночное время) приводит к затратам, сопоставимым
с затратами роторной печи. Данные показывают, что инвестиции имеют период
окупаемости 5 – 9 лет.
Таблица 8.14 - Пример данных по затратам завода на
существующей вагранки на роторную или индукционную электропечь
замену
Данные представлены для 1997 – 1998 г., Испания [7]
Затраты в Евро/тонну
расплавленного металла
Энергия
Вагранка
Огнеупорный материал
Рабочая сила
Сырье
Общая стоимость
Ежегодные затраты в Евро
Стоимость плавки 1320
тонн/год
Сбережения
3,6
52,9
205
292
Роторная печь Индукционная
печь
29,8
40,8
(пик)
27,2
(минимум)
1,3
1,4
22,7
22,7
205
205
259
270
385000
341000
нет
44000
Инвестиции
нет
250000
Строительство
30,7
356000
338000
29000
47000
260000
(пик)
(минимум)
(пик)
(минимум)
Нет
Необходимо
необходимости
Движущие силы внедрения
Снижение прямых выбросов при плавке литейного чугуна.
Примеры заводов
Большинство австрийских литейных заводов, которые являются малыми и
средними предприятиями; изменения проводились от плавки в вагранке на плавку в
индукционных электропечах. Как следствие, существуют только три австрийских
литейных завода, которые все еще используют плавку в вагранке.
Справочная литература [3], [7], [13]
8.2.6 Подовая печь
8.2.6.1 Использование кислородных горелок
Смотрите 8.2.4.2.
8.3 Изготовление литейных форм и стержней, включая подготовку
формовочного песка
8.3.1 Выбор типа литейной формы
Выбор типа литейной формы в основном зависит от технических требований.
Применимость различных типов формовки представлена в таблице 8.15. Кроме того,
в таблице 8.16 представлены основные свойства различных систем.
232
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 8.15 - Применимость различных типов формовки [78]
Литейный чугун
Серый литейный чугун
X
Х
Х
X
O
Чугун с шаровидным
X
Х
Х
X
графитом
Ковкий чугун
X
О
Х
O
Белый литейный чугун
X
Х
Х
Сталь
Нелегированная
X
Х
Х
X
Низколегированная сталь X
Х
Х
X
Сильно легированная
X
Х
Х
X
марганецсодержащая
сталь
Нержавеющая и
X
Х
Х
X
термостойкая сталь
Тяжелые металлы
Латунь
X
Х
Х
X
X
Бронза
X
Х
Х
X
Медь
X
Х
Х
X
X
Цинковые сплавы
O
Легкие сплавы
Алюминиевые сплавы
X
Х
Х
X
X
Сплавы магния
X
О
Х
X
X
Титан
O
О
Х
X
O
X: Метод может использоваться
O: Метод можно использовать, но часто не применяется
Х
Х
Непрерывное литье
Литье кокиль под
давлением
(холодная)
Центробежное литье
Литье к кокиль под
давлением (горячая)
Литье в кокиль при
низком давлении
Постоянные литейные
формы
Технология отливки
Закрепитель/жидкое
стекло
Фенол/фурфуран
Песок с покрытием
Формовка с помощью
сырого формовочного
песка
Одноразовые
литейные формы
Методы формовки
X
X
Х
Х
Х
Х
О
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
X
X
Таблица 8.16 - Технические характеристики различных типов формовки [5]
Относительная
стоимость
Относительная
стоимость для
малого числа
Допустимый вес
отливки
Самый тонкий
участок отливки,
Сырые песчаные Химически
Литье низкого
формы
связанный песок давления и
свободное литье в
кокиль
Низкая
Средне высокая Низкая
Литье под высоким
давлением
Очень низкая
Средне высокая Высокая
Очень высокая
До 1 тонны
До нескольких
сотен тонн
0,25
50 кг
30 кг
0,3
0,08
0,25
Очень низкая
233
П-ООС 17.02-02-2012
см
Обычный допуск
на размер, см
(включая линии
разъема)
Относительная
чистота
поверхности
Относительные
механические
свойства
Относительная
легкость
проектирования
сложной отливки
Относительная
легкость
внесения
изменений в
форму
Диапазон
возможных
сплавов
0,03
0,02
0,07
0,02
Хорошая
чистота,
обтекаемая
форма
Хорошие*
Хорошая
чистота,
обтекаемая
форма
Хорошие *
Хорошая
Очень высокая
Хорошие *
Очень хорошие
Хорошая
чистота,
обтекаемая
форма
Очень хорошая
Хорошая
Обтекаемая
Хорошая
Обтекаемая
форма
Низкая
Очень низкая
Неограниченный
Неограниченный
Медные сплавы и
сплавы, в которых
преобладают
низкотемпературные металлы
Алюминиевые
сплавы и сплавы с
преобладанием
низкотемпературных
металлов
(*) Механические свойства могут быть улучшены путем термической обработки
8.3.2 Формовка с помощью песка с добавкой связывающей глины (сырая
формовочная смесь)
8.3.2.1 Подготовка песка с добавкой связывающей глины путем вакуумного
перемешивания и охлаждения
Описание
Процесс смешивания и охлаждения скомбинированы в один процесс. Это
достигается при работе смесителя формовочной смеси при пониженном давлении,
что приводит к испарению воды. Специальная мешалка должна быть герметично
закрыта. Она имеет герметичную крышку и связана с вакуумной системой. Схема
размещения системы представлена на Рисунке 8.4.
234
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 8.4 - Цех подготовки формовочной смеси с вакуумным
смесителем-холодильником [79]
По сравнению с обычной смесительной установкой (рисунок 6.28) эта технология
не требует отдельного холодильника и дополнительного оборудования.
Следовательно, вакуумная установка имеет более компактные размеры. Так как
полный воздушный поток меньше, вакуумная установка имеет более малый
центральный фильтр-пылесборник. Размер и энергопотребление фильтра
составляют 50 % от соответствующего значения для условного цеха. Уменьшение
воздушного потока приводит к заниженному удалению активного бентонита и, таким
образом, к дополнительному снижению расхода. Благодаря своей закрытости, эта
технология не подвержена влиянию внешних климатических условий.
Использование пара при отсутствии воздуха приводит к быстрой активизации
бентонита, что приводит к очень быстрому достижению оптимальной прочности на
сжатие для связанного песка.
Вода добавляется в два отдельных этапа:
- вода для увлажнения возвратного песка в подготовленной формовочной смеси;
- вода для охлаждения песка до заданной температуры 38 – 40 ºC, путем
испарения.
Недостатком системы является работа и контроль вакуумной системы. Процесс
также оказывает влияние на технические свойства песка (например, предел
прочности на сжатие и газопроницаемость), которые уменьшаются после 72-часов
(“эффект 72-часов”). Этого можно избежать путем повторного перемешивания в
течение, приблизительно, 90 секунд.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение полного воздушного потока приводит к уменьшенному объему
потребляемого газа и количеству пыли, а так же сниженному потреблению
связывающего состава по сравнению с условными установками для охлаждения и
смешения (хотя это также зависит от эффективности цеха регенерации). Кроме того,
система использует меньше энергии.
Воздействие на различные среды
235
П-ООС 17.02-02-2012
Воздействие на различные среды не наблюдается.
Применимость
Технология применима в новых цехах, использующих сырую формовочную
смесь.
Экономические показатели
Коммерческими пределами применения оказываются процессы, требующие
охлаждение песка и производительностью > 60 тонн песка в час.
Движущие силы внедрения
Уменьшение пыли и минимизация потребления присадок. Уменьшение
занимаемого пространства.
Примеры заводов
В Японии цех вакуумного смешивания и охлаждения работает с 1993 г.; при
выпуске готовой песчаной смеси 100 м³/час.
Различные установки также в настоящее время работают в Италии, Франции,
Германии и Англии.
Справочная литература [2], [79], [80]
8.3.3 Формовка и изготовление стержней с помощью химически связанного
песка
8.3.3.1 Минимизация потребления смолы и вяжущих составов
Описание
Минимизация потребления химических продуктов может достигаться путем
оптимизации контроля технологического процесса и обработки материалов.
Последняя категория обсуждается в разделе 8.1. В этом разделе обсуждаются
характеристики процесса.
Дополнительное использование составов для компенсации слабого контроля над
технологическим процессом является самым общим случаем пустых трат вяжущих
химических составов. Например, основные параметры, относящиеся к хорошему
контролю над использованием вяжущих составов, включают:
- Консистенция песка. Использование качественного песка, который совместим
со связывающим составом. Хороший контроль на складе песка и его испытаний
(чистота, степень грануляции, форма, влажность) имеет большое значение. Низкое
содержание примесей и максимальное количество повторно использованного песка
снизят расход необходимой смолы;
- Контроль температуры. Температура песка должна поддерживаться в
узком диапазоне, с регулярной проверкой и подстройкой количества вводимого
отвердителя. Размещение подогревателя песка непосредственно перед смесителем
способствует хорошему контролю температуры;
- Обслуживание и очистка мешалки;
- Качество литейной формы. Проверка, устранение и предотвращение
дефектов формовки;
- Количество добавок. Соответствующие добавки связывающего состава
зависят от типа состава, площади поверхности песка и размера отливки;
- Работа мешалки. Оптимизация рабочих характеристик мешалки включает
контроль и управление его работой.
В таблице 8.17 представлены технологические параметры процесса смешения,
которые можно легко измерить, используя доступные инструменты. Интерактивный
контроль с помощью системы управления позволяет оператору оперативно
реагировать на любой 'непредвиденный' случай. В таких ситуациях необходимо
провести профилактические работы по исправлению, очистке, обслуживанию и
перекалибровке, прежде чем проблема разрастется.
236
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 8.17 - Технологические параметры и как они характеризуют
рабочие характеристики мешалки [68]
Технологические
параметры процесса
Расход песка
Комментарии
Может
изменяться
в
результате
закупорки
на
выходе
металла,
что
приводит
к
снижению/остановке подачи
песка
или
повреждению/отключению
ограничителя, что приводит к
увеличению расхода
Определяет
скорость
затвердевания
и
количество/тип
требуемого
отвердителя
Температура песка
Потребление энергии
Расход
смолы
отвердителя
Часы работы
Обеспечивает индикатор
частоты мешалки
и
Может
изменяться
в
результате износа насосов,
изменений
вязкости
при
температуре, засорений или
утечек
в
системе
трубопроводов
и
сопел,
залипания
обратных
клапанов, и т.д.
Полезны
для
оценки
рабочих характеристик по
отношению к затратам и
эксплуатационным расходам
Инструменты
Роторные расходомеры
(крыльчатки)
Контрольный
инструмент
может
использоваться
для
корректировки
процесса
ввода отвердителя, чтобы
компенсировать изменение
температуры песка
Контроллер
нагрузки
двигателя
Перемещение
в
положительном
направлении
электромагнитных
или
Кориолисовых
расходомеров
Для литейных заводов, которые требуют серьезной модернизации, доступен
целый ряд полностью автоматизированных систем управления мешалкой. Эти
системы
используют
микропроцессорное
управление
для
обеспечения
автоматического корректирующего контроля процесса перемешивания песка и
нуждаются только в ограниченном участии оператора. Дополнительные
преимущества, получаемые при использовании автоматизированных систем
управления, в основном обусловлены полной независимостью от оператора и более
быстрой реакцией для корректировки изменений в условиях процесса. Последнее
также осуществляется без необходимости остановки производства.
Экологические эффекты от внедрения метода
При оптимизации связывающего состава и смолы используются результаты
минимизации потребления химических присадок.
Летучие органические соединения составляют до 50 - 60 % (весовых)
компонентов связывающего состава. Их количество зависит от типа связывающего
состава. Большинство из них улетучиваются во время перемешивания формовочной
237
П-ООС 17.02-02-2012
смеси и заливки металла. Снижение количества используемого состава приводит к
соответствующему уменьшению выбросов ЛОС.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды не наблюдается.
Эксплуатационные данные
В большинстве случаев, cнижение на 5 % количества вяжущих составов и на 1 %
литейного лома легко достижимо с помощью современных систем управления
смесительными
процессами.
Многие
литейные
заводы
подняли
свою
эффективность, которая были значительно более низкой. Снижение добавок
вяжущих составов на 5 - 25 % осуществляется на различных литейных заводах,
кроме того, сильно сокращено производство литейного лома.
Установка
автоматизированной
системы
управления
мешалками
в
чугунолитейном цехе, использующем смолы, отвердевающие при обычной
температуре, позволила литейному заводу снизить уровень добавления смолы от 10
кг/минуту (1,22 % смолы к весу песка) до 8,89 кг/минуту (1,09 %), что соответственно
привело к 10 % экономии используемого катализатора. Число дефектных литейных
форм упало на более чем 60 %, а экономический эффект составил 37000 фунтов
/год (в британских ценах 1995 г.).
Применимость
Эта технология применяется на всех новых и существующих литейных заводах,
использующих химически связываемые формовочные пески. Контрольноизмерительное оборудование для управления процессом смешивания может быть
модернизировано и на существующих заводах.
Экономические показатели
На тонну смешанного песка добавление связывающего состава обычно
составляет только 1 – 3 % по весу, но в терминах затрат, вяжущие составы
составляют 30 – 60 % от полной стоимости сырья. Считается, что экономия затрат в
5 – 10 % может быть достигнута путем улучшения контроля за расходом связующих
составов.
Использование всего оборудования, представленного в таблице 8.17, в системе
смешения, стоит около 10000 фунтов (в британских ценах 1997 г.). Однако,
благодаря существенному усовершенствованию управления технологическим
процессом, эти капиталовложения будут иметь относительно короткий срок
окупаемости. Хотя стоимость установки автоматизированной системы управления
приблизительно в два раза больше системы обычного контроля, можно получить
существенный экономически эффект от его внедрения.
Пример экономических данных представлен в таблице 8.18. Они относятся к
чугунолитейному цеху, описанному в разделе "Эксплуатационные данные" данной
главы.
Таблица 8.18 - Ежегодная экономия, цена и окупаемость при
использовании, в качестве примера, системы управление мешалкой (в ценах
1995 г.) [69]
Тип затрат
ЕВР
О
Экономия
вследствие
60%-го
снижения дефектных литейных форм
Экономия,
вследствие
10%-го
снижения
количества
используемой 6
смолы
Экономия,
вследствие
10%-го
238
6416
2996
9050
П-ООС 17.02-02-2012
снижения количества используемого
катализатора
Экономический
эффект,
в
4543
стоимости материалов
3
Ежегодные
производственные
320
затраты
Предполагаемая
стоимость
24
ежегодного обслуживания
Экономия в себестоимости
4508
8
Стоимость покупки модуля
2416
6
Период окупаемости
7
месяцев
Движущие силы внедрения
Оптимизация рабочих затрат и минимизация выбросов ЛОС.
Примеры заводов
Хорошие методы контроля за расходом вяжущих составов используются на
большинстве литейных заводов, использующих связываемый песок.
Справочная литература [3], [7], [68], [69]
8.3.3.2 Минимизация потерь формовочного песка при изготовлении
литейных форм и стержней
Описание
Современные установки для изготовления литейных форм и стержней дают
возможность сохранить технологические параметры по различным типам изделий в
электронной базе данных. Это позволяет осуществить простую замену новых
изделий без потери времени и материалов на поиски соответствующих параметров,
просто используя опыт и ошибки. Для новых изделий данные о подобных продуктах
могут использоваться для сокращения времени оптимизации.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение количества потерянного песка и энергии путем минимизации времени
исследований.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды отсутствует.
Применимость
Производство небольших серий с большой производительностью. Безошибочная
замена требует хорошего контроля и непрерывной проверки качества песка.
Экономические показатели
Инвестиционные затраты на установки изготовления стержней, зависят от
объема стержня, и находятся в пределах 150000 ЕВРО (5 l) - 400000 ЕВРО (100 l).
Рабочие затраты составляют 5 – 10 % от ежегодных инвестиционных затрат.
Движущие силы внедрения
Оптимизация процессов, требующих частой замены типа литейной формы или
стержня.
Примеры заводов
Эта технология используется на нескольких литейных заводах в Европе.
Справочная литература [13]
8.3.3.3 Наилучшие технологии для процессов с холодным отверждением
- Фенол: Температура песка сохраняется по возможности постоянной, то есть в
пределах 15ºC - 25ºC, что способствует предотвращению выбросов, вызванных
парообразованием. Непосредственный контакт между смолой и катализатором
239
П-ООС 17.02-02-2012
нежелателен, так как реакция является экзотермической и может оказать сильное
воздействие;
- Фурфуран: Температура песка очень важна для этого процесса и должна
сохраняться по возможности постоянной, приблизительно 15 – 25 ºC; что позволяет
контролировать время отверждения смолы и минимизировать добавку катализатора.
Непосредственный контакт между смолой и катализатором нежелателен, так как
реакция является экзотермической и может оказать сильное воздействие;
- Полиуретан: Температура песка сохраняется в диапазоне 15 - 25 ºC, что
позволяет сохранить контроль над технологическим процессом и минимизировать
выбросы. Наилучшим методом является работа с тремя насосами и смешивание
катализатора и фенольной смолы с изоцианатом и песком непосредственно в
мешалке [7];
- Сложный эфир резола (твердеющий сложный щелочной эфир фенола):
Температура песка контролируется и поддерживается на оптимальном уровне 15 –
35 ºC. Процесс менее чувствителен к колебаниям температуры, чем другие
самотвердеющие составы. Скорость затвердевания контролируется выбором типа
отвердителя [3];
- Силикат сложного эфира: Температура песка поддерживается в пределах 15 –
25 ºC. Что касается влажности литейных форм и стержней, то они должны
использоваться как можно быстрее после полного отвердевания. Длительное
хранение возможно только в сухих условиях.
8.3.3.4 Наилучшие технологии для процессов отвердевания под действием
газа
- Холодный стержневой ящик: Пары амина должны отфильтровываться в
установке по изготовлению стержней. Кроме того, также может понадобиться
вентиляция зоны хранения стержней. При возможности, в зоне работы установок по
изготовлению литейных форм и стержней должны располагаться вытяжки, а также
вентиляция в зоне временного хранения стержней.
Температура песка должна поддерживаться по возможности постоянной, в
диапазоне 20 - 25 ºC, в противном случае, слишком низкая температура вызовет
более длительный промежуток подачи газа, что приведет к увеличенному расходу
амина. Слишком высокая температура значительно сокращает срок службы готового
песка.
Вода вредна для этого процесса. Влажность песка должна сохраняться ниже 0.1
%, а поток газа и очищающий воздух должны быть сухими.
Примечание: Амины являются огнеопасными и взрывчатыми веществами в
некоторых пропорциях с воздухом. При их хранении и работе с ними следует
соблюдать особую осторожность и всегда следовать инструкции поставщика.
- Резол (метилформиат): Желательно проветривать рабочую зону, по крайней
мере, чтобы предотвратить опасность воспламенения. Расход метилформиата
необходимо минимизировать до значения, необходимого для производства
стержней. Температура песка должна поддерживаться выше 20 ºC, чтобы
предотвратить конденсацию метилформиата. Пары метилформиата тяжелее
воздуха; это необходимо учесть при проектировании системы вытяжной вентиляции.
Примечание: Метилформиат огнеопасен, когда его концентрация в воздухе
достигает 6 - 20 % и взрывоопасен при некоторых соотношениях с воздухом. При его
хранении и работе с ним следует соблюдать особую осторожность и всегда
следовать инструкции поставщика.
- Резол-CO2: Смола имеет низкое содержание не прореагировавших фенола и
формальдегида; и уровень их выбросов очень низок даже во время подачи газов и
продувки. Желательно проветривать рабочую зону. [3]
240
П-ООС 17.02-02-2012
- SO2 - фурфуран: Рабочая зона должна проветриваться, а выбросы
отфильтровываться в точке эмиссии, полностью закрытой кожухом формовочной
машины или установки для изготовления стержней, с использованием вентиляции.
Перед выбросом в атмосферный воздух эти собранные газы должны быть
обработаны. Это легко реализуется с помощью скруббера, содержащего раствор
гидроокиси натрия. PH и концентрация раствора должны непрерывно
контролироваться. Раствор скруббера следует периодически менять, чтобы удалить
образовавшиеся соли, они в дальнейшем утилизируются.
Потребление диоксида серы должно быть минимизировано до необходимых для
производства песчаных стержней значений.
- эпоксидно-акриловая смола, затвердевающая под действием SO2. Что
касается подачи газа и очистки, то их сбор и обработка описаны в разделе,
описывающем фурфурановые смолы, затвердевающие под действием SO2. Для
получения наилучших условий затвердевания стержней требуется чтобы:
- песок перед использованием был сухим;
- газ, используемый для продувки и изготовления стержней, также был сухим;
- концентрация диоксида серы в CO2 или азоте составляла от 5 % до 100 % в
зависимости от используемого типа смолы (минимальная для акриловой смолы,
максимальная для эпоксидно-акриловой смолы);
- цикл очистки в 10 раз превышал по продолжительности цикл подачи газа.
8.3.3.5 Замена спиртовых покрытий на водные
Описание
Покрытия наносятся на поверхность литейных форм и стержней для создания
огнеупорного слоя на поверхности раздела металл - литейная форма и гарантии
получения хорошей поверхности отливки. Покрытия служат для уменьшения усадки,
эрозии и пригара металла, а также для упрощения отделочных операций. Покрытия,
основанные на спиртах, в основном имеют в своем составе изопропиловый спирт.
Покрытие высушивается путем испарения или выжигания растворителя. При этом
происходят выбросы ЛОС. Покрытия, основанные на водных растворах,
разработаны как альтернатива.
Преимущества покрытий, основанных на водных растворах:
- безопасность (отсутствует риск воспламенения);
- безопасность для персонала (меньшее содержание органических паров);
- сниженные затраты на реактивы (вода по сравнению со спиртом);
- намного более высокая чистота поверхности отливки.
Проблемы, возникающие при нанесении:
- необходимость увеличенного интервала времени (процесс) и пространства.
Кроме того, стержни нуждаются в более длительном периоде сушки, что приводит к
необходимости создания сушильной линии, проходящей через сушильную печь;
- в случае изменения параметров процесса требуется отдельная оптимизация;
- рост бактерий, сокращающих срок службы покрытий (1 - 2 недели) и
вызывающих выбросы с характерным запахом.
Покрытия, основанные на водных растворах, могут просушиваться на открытом
воздухе или при помощи сушильной печи или микроволновой или инфракрасной
печи. Обычно для них необходим более длительный период сушки, по сравнению с
покрытиями, основанными на спиртах. При сушке не образуются вредные выбросы,
но может появиться характерный запах. Сушка выполняется с помощью сушильной
линии, по которой стержни транспортируются с места изготовления к литейной
форме, таким образом выдерживая необходимое время сушки. Линия может также
проходить через сушильную печь. Микроволновая и инфракрасная сушка
применяется для небольших, средних и больших серий.
241
П-ООС 17.02-02-2012
Различные реологические свойства покрытий, основанных на водных растворах,
по сравнению с покрытиями, основанными на растворителях, требуют разработки
новых прикладных методик. Качество покрытия остается постоянным.
Экологические эффекты от внедрения метода
Оценка срока службы покрытий, основанных на водных растворах и спиртах,
осуществляется при испытаниях на ударную нагрузку. Использование покрытий,
основанных на водных растворах, при их сушке на открытом воздухе имеет
экологические преимущества, главным образом благодаря сниженным выбросам
ЛОС и низким энергопотреблением. Полная экологическая оценка при
использовании сушильной печи показывает небольшие преимущества покрытий,
основанных на изопропиловом спирте (IPA) с последующим обжигом.
Воздействие на различные среды
Покрытия, основанные на водных растворах, содержат целый ряд (органических)
химических соединений, изменяющих их свойства. Они могут воздействовать на
пригарность покрытия и выбивку отливок из форм.
Сушка покрытий, основанных на водных растворах, приводит к увеличенному
испарению растворителей. Это может вызвать увеличение выбросов с характерным
запахом, из-за парообразования BTX-содержащих основных растворителей.
Покрытия, основанные на водных растворах, требуют повышенного расхода
энергии из-за необходимости транспортировки (во время сушки на открытом
воздухе) и сушки в печи.
Сушка на открытом воздухе приводит к снижению температуры воздуха в
литейном цехе. На голландском литейном заводе наблюдалось понижение
температуры окружающей среды на 2 ºC. Это привело к более высокому
потреблению топлива для отопления в зимнее время.
Эксплуатационные данные
Переход от IPA-покрытий (спирт) на покрытия, основанные на водных растворах,
в настоящее время получает все более широкое распространение на различных
литейных заводах. Автомобильные литейные заводы в большинстве осуществили
перевод своих производств на покрытия, основанные на водных растворах,
используя покрытия, основанные на растворителях, только для специальных
приложений (смотрите раздел Применимость).
Эксплуатационные данные были получены на голландском литейном заводе.
При сушке на открытом воздухе основным фактором является скорость воздушного
потока (а не температура или влажность). Чтобы обеспечить достаточную скорость
воздушного потока, на литейном заводе были установлены дополнительные
вентиляторы. Чтобы получить хорошее и постоянное качество, потребовалось
снижение содержания примесей во вторичном (восстановленном) формовочном
песке, используемом для изготовления стержней. Покрытия, основанные на водных
растворах, могут вызывать вспучивание мелких частиц примесей (бентонит и
каменноугольная пыль), что затем вызывает дефекты стержня.
Эксплуатационные данные были получены на литейном заводе во Франции при
работе печи с допустимой нагрузкой 540 стрежней, изготавливаемых с помощью
холодного стержневого ящика, который подогревается обычной газовой горелкой.
Для откачки дыма и добавления свежего воздуха используются два вентилятора.
Расчетная температура горячего воздуха составляет 165 ºC. Тепловой баланс был
рассчитан на основе измерений, используя стержни весом 0.4 кг при влажности 5.5
%. Баланс, представленный на рисунке 8.5, допускает пропускную способность 390
стержней, что эквивалентно 72 % от полной нагрузки.
242
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 8.5 - Тепловой баланс печи для сушки стержней, работающей при
72%-ой допустимой нагрузке [2]
Схема баланса показывает, что теряется 50 % энергии при эффективности
менее 10 % для сушки стержней. Баланс определяет потребление 8,5 кВтчас на кг
испаренной воды, что соответствует 465 кВтчас на тонну стержней при пропускной
способности 156 кг/час. При работе печи с более низкой загрузкой потери
увеличиваются. Подобные измерения, проведенные на другом литейном заводе,
подтвердили высокие (>50%) потери и низкую (<10%) эффективность использования
энергии. Энергетический КПД может быть увеличен, используя микроволновую
сушку. Это будет обсуждаться в разделе 8.3.3.6.
Применимость
В большинстве случаев можно использовать растворители, основанные на воде.
Однако, покрытия, основанные на спиртах, не могут быть заменены в некоторых
отдельных случаях и все еще продолжают использоваться:
- для больших или сложных литейных форм/стержней, где могут возникать
проблемы, связанные с сушкой, из-за наличия полостей, труднодоступных для
проникновения воздуха;
- для формовочных песков, связываемых с помощью жидкого стекла;
- при производстве марганецсодержащей стали с покрытием MgO.
Покрытия, основанные на водных растворах, используются на новых и
существующих крупных литейных заводах. Для новых и существующих
мелкосерийных литейных заводов реализация может быть затруднена техническими
или экономическими проблемами.
Экономические показатели
Инвестиционные затраты зависят от нескольких факторов, например, от наличия
доступного пространства для сушильной линии на литейном заводе, выборе
технологии сушки и необходимости подготовки формовочной смеси.
Полная замена спиртовых покрытий на покрытия, основанные на водных
растворах, на голландском чугунолитейном заводе, использующим сушку на
открытом воздухе, потребовала инвестиций 71000 ЕВРО. Сюда включается
установка вентиляторов и оптимизация качества песка. Снижение выбросов IPA до
161 тонны/год соответствует уменьшению расходов до 62.5 ЕВРО за тонну
выбросов.
Рабочие затраты включают усиление контроля стержней и покрытий (вязкость,
толщина слоя, содержание влаги, качество продукта) и составляют 9000 ЕВРО в год.
Сушка 1 тонны покрытия требует расхода 2100 кВтчас электроэнергии.
243
П-ООС 17.02-02-2012
Получению экономического эффекта также способствует снижение расходов на
приобретение растворителя. Существуют примеры больших литейных заводов, где
инвестиции в системы, основанные на водных растворах, окупались через 2 года,
только благодаря снижению затрат на приобретение спирта.
Рабочие затраты на сушку составляют 0,01 ЕВРО/кг (литейный завод цветных
металлов во Франции).
Движущие силы внедрения
Давление со стороны властей, усиливающих внимание к выбросам органических
веществ.
Примеры заводов
- PSA Sept-Fons (F)
- Fonderie Bréa, Montluçon (F)
- De Globe b.v., Weert (NL).
Справочная литература [81], [2], [82]
8.3.3.6 Микроволновая сушка покрытий, основанных на водных растворах
Описание
Покрытия, основанные на водных растворах, требуют просушки. Использование
для этих целей микроволновых печей имеет преимущества по сравнению с
использованием сушки горячим воздухом или сушке на открытом воздухе.
Используется микроволновое излучение частотой 2450 МГц, имеющее следующие
свойства:
- хорошая избирательность при передаче энергии: Микроволновая энергия
передается преимущественно молекулам воды, а не материалу песка. При этом
происходит равномерная сушка поверхности, даже для сложных стержней;
- саморегуляция: Механизм сушки способствует равномерному распределению
влажности материала;
- скорость сушки: Скорость сушки зависит от приложенной мощности. Высокая
скорость сушки приводит к ограничению времени экспозиции стержня. Это приводит
к хорошей механической прочности стержней.
Использование микроволновой сушки вызывает проблемы в следующих случаях:
- разнородная загрузка печи (стержнями с различной массой и объемом);
- использование стержней или вкладышей, содержащих железо;
- неоднородная сушка более толстых участком покрытия;
- риск деформации сложных стержней.
Экологические эффекты от внедрения метода
Увеличенный энергетический КПД процесса сушки.
Воздействие на различные среды
Микроволновая сушка также способствует действию реакции полимеризации на
дальнейший состав. Это снижает газообразные выбросы на последующих стадиях
процесса литья (то есть, во время розлива, охлаждения, выбивки отливок из форм).
Эксплуатационные данные
Использование микроволновой сушки не реализуется в промышленном
масштабе, хотя и проводились крупномасштабные промышленные испытания.
Результаты этих испытаний представлены ниже. Одно из испытаний проводилось с
использованием микроволновой печи, мощностью 50 кВтчас. Печь загружалась на
50 % ее допустимой нагрузки стержнями, общим весом 800 кг. Стержни
размещались на пластмассовых поддонах, которые не нагреваются под действием
микроволнового излучения. Тепловой баланс процесса представлен на рисунке 8.6.
Можно заключить, что более 30 % подводимой энергии используются
непосредственно для сушки. Кроме того, стержни лишь слабо нагреваются
(температура на выходе = 40 ºC), что позволяет сразу же проводить их обработку.
Данные по двум измерениям представлены в таблице 8.19, и сравниваются с
244
П-ООС 17.02-02-2012
аналогичными данными, полученными на сушилках, использующих горячий воздух
(как обсуждается в разделе 8.3.3.5).
Рисунок 8.6 - Тепловой баланс микроволновой сушки стержней в печи,
мощностью 50 кВтчас, работающей при 50%-ой допустимой нагрузке [2]
Таблица 8.19 - Результаты испытательной кампании по сушке стержней,
используя горячий воздух и микроволновые печи [2]
Тип печи
Литейн
Литей
Литейны
Литейн
ый завод A ный завод й завод B
ый завод C
B
Горячий
Горячи
Микрово
Микров
воздух
й воздух лны
олны
Загрузка стержней
156
270
800
500 кг/час
кг/час
кг/час
900 кг/час
Влажность
5,5 %
2,7 %
2,7 %
2 - 3,2
%
Потребление
73 кВт
70 кВт
50 кВт
40 кВт
тепла
Продолжительност
48 мин
113
8 мин
8 мин
ь
мин
Удельный расход
8,5
9,3
2,3
2
на кг испаренной воды
кВтчас
кВтчас
кВтчас
кВтчас
Удельный расход
465
280
63
на тонну влажных
кВтчас
кВтчас
кВтчас
стержней
Данные показывают, что время сушки значительно уменьшилось, от 1 – 2 часов
до менее 10 минут. Кроме того, расход энергии уменьшился в 4 – 5 раз, а пропускная
способность увеличилась.
Применимость
245
П-ООС 17.02-02-2012
Эта технология используется для сушки всех покрытий, основанных на водных
растворах. Кроме того, она способствует широкому применению покрытий,
основанных на водных растворах, для более сложных форм стержней и небольших
серий.
Экономические показатели
Микроволновая сушка требует высоких капитальных затрат. Фактические
затраты пропорциональны энергопотреблению, которое определяется количеству
испаряемой воды. Высокие инвестиционные затраты частично компенсируются:
- более высоким энергетическим КПД, хотя в этой технологии используется
электроэнергия, а не газ в сушилке с горячим воздухом;
- меньшей стоимостью растворителя, необходимого для покрытий, основанных
на водных растворах, по сравнению с покрытиями, основанными на растворителе;
- меньшей величиной эксплуатационных расходов, благодаря более компактной
установке по сравнению с использованием сушки воздухом (горячим) или линии
охлаждения.
Движущие силы внедрения
Давление со стороны властей, усиливающих внимание к выбросам органических
веществ, и требующих более высокого энергетического КПД.
Примеры заводов
По имеющейся информации, эта технология применяется на литейных заводах
во Франции и Испании.
Справочная литература [2], [3]
8.3.3.7 Использование неароматических растворителей для производства
стержней в холодном стержневом ящике
Описание
Классические системы холодного стержневого ящика используют органические
растворители. Во время производства и хранения стержней они являются причиной
выброса вредных ЛОС, имеющих сильный запах. Кроме того, выбросы ЛОС (бензол,
толуол, ксилол) происходят во время заливки, охлаждения и выбивки отливок из
форм. Другие растворители для производства стержней по методу холодного
стержневого ящика основаны на протеине или животном жире (например, сложные
эфиры метила в растительном масле), или на сложных эфирах силиката. Эти
растворители не являются вредными для здоровья и не горючи, поэтому их
транспортировка и хранение упрощаются.
Низкая изменчивость сложных эфиров метила в растительном масле
увеличивает возможность их хранения во влажных условиях, а также их стойкость
при использовании покрытий, основанных на водных растворах.
Изготовленные стержни имеют более высокую прочность, низку степень
налипания песка и хорошие свойств выбивки отливок из форм.
Экологические эффекты от внедрения метода
Отсутствует испарение, благодаря высокой точке кипения (приблизительно 300
ºC) и, следовательно, во время хранения отсутствуют выбросы ароматических
веществ.
Во время производства и хранения стержней и (что еще более важно) во время
заливки, охлаждения и выбивки отливок из форм уменьшаются выбросы
органических соединений.
Воздействие на различные среды
Растительные растворители способствуют увеличению образования дыма во
время заливки и (в случае литья под давлением) после открытия кокиля. Это
обусловлено низким парообразованием и, следовательно, высоким остаточным
содержанием растворителей во время заливки. Этот эффект отсутствует при
246
П-ООС 17.02-02-2012
использовании
растворителей,
имеющих
в
своем
составе
сложные
кремнийорганические.
Растворители, основанные на протеине и животном жире, отличаются
характерным запахом и, по информации, вызывают на литейном заводе проблемы,
связанные с запахом.
Эксплуатационные данные
В таблице 8.20 представлены данные по выбросам бензола, толуола, ксилола и
фенола, полученные при измерении на одном литейном заводе по производству
алюминия, с использованием сырой формовочной смеси. Измерения проводились
как в зоне выбивки отливок из форм, так и в зоне выхода выхлопных газов. Данные
представлены для традиционной системы холодного стержневого ящика и при
использовании растительных растворителей. Наблюдается явное снижение
выбросов BTX и C (25 – 50 % выбросов).
Таблица 8.20 - Данные по выбросам для систем изготовления стержней с
использованием холодного стержневого ящика на литейном заводе по
производству алюминия, полученные в зоне выбивки отливок из форм и в
зоне выхода газа [83]
При выбивке отливок из форм
На выходе газа
Со
Ароматиче
Растител
Разн
Ароматиче
Растител
Разн
став
ский
ьный (мг/м³) ица, (%) ский
ьный (мг/м³) ица, (%)
(мг/м³)
(мг/м³)
Бе
0,08
0,05
- 44
0,1
0,07
- 30
нзол
То
0,12
0,05
- 58
0,08
0,06
- 25
луол
Кс
0,09
0,04
- 56
0,09
0,05
- 41
илол
Фе
14,8
14,6
-2
7,2
6,57
-9
нол
Су
61,0
29,5
- 52
37,0
18,5
- 50
мма
по С
Результаты измерений по выбросам, полученные на немецком чугунолитейном
заводе представлены в таблице 8.21. В этой таблице данные по выбросам для
каждого компонента отражены по отношению к выбросам такого же элемента для
ароматических систем. Например: выброс толуола при повторном охлаждении
составляет только 58 % от выброса толуола в ароматической системе. В таблице
показано явное уменьшение выбросов ЛОС на стадии повторного охлаждения и
выбивки отливок из форм.
Таблица 8.21 - Выбросы (%) выбранных элементов из установок по
изготовлению стержней с холодным стержневым ящиком, использующим
растительные растворители [84]
ол
Заливка
и
охлаждение 1
Охлаждение 2
Бенз
Тол
Кси
Фен
уол
лол
ол
83
100
100
100
78.5
58
46
74
247
П-ООС 17.02-02-2012
Выбивка
78
78
78
12
отливок из форм
Данные по выбросам, выражены в процентах,
относительно выбросов ароматической системы
(рассматриваемой как 100 % для каждого измерения)
Полное снижение расхода указанных составов составило:
- бензол: - 21 %
- толуол: - 26 %
- ксилол: - 30 %
- фенол: - 62 %
Данные, полученные при измерении суммарного содержания углерода в
выбросах по всему процессу литья, представлены на рисунке 8.7. Анализ данных
позволяет сделать вывод, что растительные растворители частично приводят к
смещению выбросов из зоны изготовления стержней на конечную стадию процесса.
Тем не менее, получено полное снижение эмиссии углерода на 17%.
Рисунок 8.7 - Полные выбросы углерода на различных стадиях процесса,
при использовании ароматических и растительных растворителей (значения
выражены в % от выбросов системы с использованием ароматических
растворителей) [84]
Применимость
Неароматические растворители могут использоваться во всех процессах, где
применяется формовочный песок и холодный стержневой ящик. Эта технология
относительно новая и результаты ее применения, как показано выше, должны быть
подтверждены при повторном испытании. Технология внедрена на литейных
заводах для изготовления всей номенклатуры автомобильных отливок, а так же
отливок
для
машиностроения,
электронной
и
строительной
отрасли
промышленности. Имеется информация и о применении ее при литье черных и
цветных металлов.
Экономические показатели
Данные, полученные от итальянской ассоциации литейных заводов, указывают,
что неароматические растворители имеют стоимость, вдвое превышающую
248
П-ООС 17.02-02-2012
стоимость ароматического эквивалента, например: 0,82 ЕВРО/кг, против 0,36 – 0.48
ЕВРО/кг.
Эксплуатационные данные, полученные на сталелитейном заводе для
изготовления больших серий, показывают, что затраты на вяжущие составы для
систем с холодным стержневым ящиком, использующим ароматические
растворители, составляют, приблизительно 2 ЕВРО/кг (2001 г.) и повысились,
приблизительно, на 30 %, после перехода на неароматическую систему. Однако, по
истечении одного года (2003 г.), затраты вновь снизились до уровня 10 %-го
превышения затрат для традиционных систем.
Движущие силы внедрения
Снижение выбросов ЛОС и ароматических веществ.
Примеры заводов
По имеющейся информации эта технология используется на крупносерийных
литейных заводах в Германии.
Справочная литература [2], [83], [7], [84], [3]
8.3.4 Альтернативные методы изготовления форм/стержней
8.3.4.1 Литье по выплавляемым моделям
Описание
Общие принципы литья по выплавляемым моделям описаны в разделе 6.7.7.1.
Благодаря отсутствию вяжущих составов, эта технология позволяет сократить
количество твердых отходов и выбросов по сравнению с технологией литья в
песчаные формы.
Эта технология позволяет производить детали с более точными допусками,
меньшим количеством литников и каналов вертикальной подачи металла и лучше по
части отливки. Все это приводит к уменьшению временных затрат на механическую
обработку и очистку.
Литейные заводы, использующие литье по выплавляемым моделям, имеют в
своем составе цех подготовки пенного состава, цех формовки и литейный цех. В их
составе отсутствует цех по изготовлению стержней и отделочный цех. Цех
подготовки пенного состава включает установки для получения пористого
материала, парогенераторы и охладители, и сушилки поступающего воздуха.
Выплавляемые модели изготавливаются из полистирола (EPS) или PMMA
(полиметилметакрилат), с малым содержанием пентана, клейких веществ и
минеральной оболочки. Так как и EPS и пентан представляют собой чистые
углеводороды, чтобы минимизировать выбросы органических продуктов разложения
EPS, производится дожигание отходящих газов.
Эта технология использует несвязанный формовочный песок, который не
приводит к появлению каких бы то ни было выбросов после заливки и выбивки
отливок из форм и который может быть повторно использован без серьезной
подготовки. Пиролиз EPS приводит к медленному проникновению органического
материала в песок. Это может быть исключено путем обеспыливания и частичного
восстановления вторичного песка. Достаточно 5%-го восстановления, чтобы
сохранить качество песка. Отбракованный песок может повторно использоваться
после термической обработки.
Экологические эффекты от внедрения метода
Так как используется несвязанный песок, при данной технологии отсутствуют
выбросы в процессе заливки, обусловленные наличием вяжущих составов. Однако
пиролиз EPS или PMMA приводит к появлению органических продуктов разложения,
которые требуют дожигания.
Использование энергии в процессе литья по выплавляемым моделям
значительно ниже, чем при использовании общепринятых способов литья. Это
249
П-ООС 17.02-02-2012
главным образом обусловлено уменьшением расхода энергии, требуемой для
последующих операций, плавки и подготовки формовочного песка. При
производстве стержней для общепринятых методов формовки требуется
относительно больше энергии, чем для производства выплавляемых моделей.
Анализ LCA подтвердил, что экологические преимущества, указанные выше,
могут быть лучше для всех экологических показателей литья по выплавляемым
моделям, по сравнению с аналогичными показателями процесса литья в песчаные
формы. Для простой отливки (например, крышки) подход с учетом времени службы
форм показывает, что лучшей технологии нет.
Воздействие на различные среды
Эта технология способствует уменьшению расхода электроэнергии и сокращает
операции по изготовлению литейных форм и отделочные операции. В отходящих
газах наблюдается увеличение количества BTEX и формальдегида, но выбросы
происходят только во время заливки; и они могут быть более легко уловлены и
нейтрализованы. Эта технология позволяет снизить количество остаточного песка и
пыли, а песок может быть восстановлен с меньшими затратами (сокращение
термообработки).
Оценка для литья по выплавляемым моделям (также с учетом процессов,
выходящих за пределы литейного завода) показывает более низкое воздействие на
окружающую среду по сравнению с производством, использующим стержни.
Эксплуатационные данные
Данные по выбросам и данные, касающиеся отходов производства,
представлены в разделе 7.6.6.1. Технология способствует уменьшению отходов
производства по сравнению с литейным заводом, использующим формовочный
песок и имеющий такую же мощность. Отходящие газы нуждаются в более
интенсивной очистке (дожигание), и (после очистки) содержат в выбросах из шахты
более высокое количество органических веществ (BTEX, формальдегид).
Сравнительные уровни расхода материалов, требуемых для производства
одного и того же кожуха компрессора, используя литье в песчаные формы и литье по
выплавляемым моделям, представлены в таблице 8.22. Можно заметить увеличение
количества возвратного материала при плавке и более низкий вес отливок. Для
литья по выплавляемым моделям общее количество формовочной смеси сильно
увеличилось, в то время как стержни не используются.
Таблица 8.22 - Эксплуатационные данные по производству одного и того же
чугунного кожуха компрессора с использованием различных методов [85]
Входной материал
Литейный чугун
Возвратные отходы
Вес отливок
Формовочная смесь
Стержневая смесь
Вес пористой модели +
питатель
Все данные в кг
n.a: не применяется
Применимость
250
Сырая
формовочная
смесь
98,0
30,0
68,0
256,8
122,0
n.a.
Химически
связанный песок
98,0
30,0
68,0
233,0
150,7
n.a.
Выплавляе
мый пористый
материал
96,1
38,1
58,0
1101,4
n.a.
0,212
П-ООС 17.02-02-2012
Эта технология используется в серийном производстве отливок малых и средних
размеров из черного и цветного металлов. Максимальные размеры отливки - 1000 x
1000 x 550 мм. Метод используется на алюминиевых литейных заводах и имеет 2%ую долю алюминиевой отливки.
Так как эта технология предполагает базовые изменения процесса создания
литейной формы и инфраструктуры, она используется, прежде всего, на новых
установках. Ее применение на существующих литейных заводах требует
преобразования литейного процесса завода в части формовки, заливки и
отделочных операций и просмотра этих стадий для каждой произведенной отливки.
Введение технологии литья по выплавляемым моделям для конкретной отливки
требует фондов, трудовых ресурсов, времени и гибкости, а так же взаимодействия с
клиентом.
Экономические показатели
Данные по экономике для литья алюминия по выплавляемым моделям
представлены в таблице 8.23. Капитальные затраты включают затраты на
оборудование, монтаж, запуск и обучение.
Таблица 8.23 - Данные по экономике литейного завода по производству
алюминиевых отливок по выплавляемым моделям [60]
Капитальные затраты
Оборудование
для
изготовления модели
Описание
Станок для изготовления модели
Парогенератор
Нанесение покрытия
Оборудование
для
Автоматическая
разливочная
отливки
машина
Очистка
отходящих
Сухое обеспыливание
газов
Тепловая обработка
Подготовка
Просеивание,
охлаждение,
формовочного песка
транспортировка
Сумма
Инвестиция, установка, запуск,
обучение
Рабочие расходы
ЕВРО
1300000
2540000
608000
160000
4608000
ЕВРО/тонн
у
годных
отливок
Потребление
EPS-гранулы, клей, покрытие, пар,
202
топливо
Характеристики литейного завода: алюминиевое литье, производство на 5500
тонн/год годных отливок, производство 6864 тонн/год расплавленного металла
Движущие силы внедрения
Снижение отходы от литья в песчаные формы и снижение энергопотребления.
Примеры заводов
Имеется информация о нескольких заводах в Германии и Франции.
Справочная литература литейный чугун: [85], алюминий: [60], [2]
8.3.4.2 Литейные формы с керамической оболочкой
Описание
Литье в формы с керамической оболочкой представляет собой запатентованный
процесс (Replicast®), в котором полистирольная модель покрывается керамической
оболочкой (толщиной 2 – 3 мм), основанной на кремний -органике и огнеупорном
песке. Оболочка отвердевает под воздействием аммиака и спекается при
251
П-ООС 17.02-02-2012
температуре 1000 ºC. При спекании происходит затвердевание оболочки и
выжигание полистирольной модели. Затем металл заливается в оболочку.
Печь для спекания оборудована системой дожигания, чтобы снизить количество
выбросов.
Эта технология позволяет проводить проектирование отливки без линий
разъема, стержней и углов сходимости и при небольшом количестве литников. При
этом снижается потребность в окончательной механической обработке.
Экологические эффекты от внедрения метода
Эта технология способствует минимизации выбросов пыли при формовке и
окончательной отделке по сравнению с формовкой с использованием песка.
Выбросы ЛОС отсутствуют, так как для инертной керамической литейной формы не
требуется никакого газа. Кроме того, количество отходов (пыль, металл) снижено.
Уменьшение количества литников приводит к более высокому выходу отливок на
плавку.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды не наблюдается.
Эксплуатационные данные
Эксплуатационные данные, полученные от владельца технологии, представлены
в таблице 8.24, для отливки клапанов, в сравнении с отливкой в формовочный песок.
Таблица 8.24 - Относительное снижение веса для литья клапанов в формы
с керамической оболочкой, по сравнению с литьем в песчаные формы [36]
Свойство
Конечный вес отливки
Расплав
Отлитый металл
Относительное уменьшение веса (%)
20 - 26
24 - 60
24 - 50
Применимость
Эта технология используется для изготовления отливок, которое требует
высокой чистоты поверхности для низкоуглеродистых сплавов, например,
нержавеющая сталь с очень низким содержанием углерода, и сплавов, основанных
на никеле, с конечным весом отливок до 550 кг. Литье в формы с керамической
оболочкой представляет собой запатентованный процесс и может использоваться
только в соответствии с условиями лицензии, предоставленной лицу, ее
получившему.
Движущие силы внедрения
Уменьшение выбросов ЛОС и высокая стоимость утилизации отходов.
Примеры заводов
- CMS srl, Urbisaglia (I): 2 автоматизированных линии, производящих стальные
клапаны до 150 кг чистого веса;
- Saint-Gobain SEVA, Chalons-sur-Saone (F): элементы из стальных и
жаропрочных сплавов для стекольной промышленности.
Справочная литература [13], [36]
8.3.5 Подготовка постоянных (металлических) литейных форм и кокилей
для литья под давлением
8.3.5.1 Минимизация потребления воды и разделительных составов
Описание
Водный раствор разделительного состава распыляется на открытый кокиль
HPDC перед его закрытием. Это позволяет охлаждать и плакировать кокиль.
Некоторые простые меры, предпринимаемые для процесса, позволяют
252
П-ООС 17.02-02-2012
минимизировать расход разделительного состава и воды. Они также
предотвращают формирование тумана. Это следующие меры:
- Автоматизация процесса распыления: Автоматизация процесса распыления
способствует проведению контроля количества используемого разделительного
состава и его регулировке;
- Оптимизация степени растворения: Степень растворения разделительного
состава должна выбираться таким образом, чтобы при распылении соблюдался
заданный баланс между покрытием и охлаждением кокиля;
- Использование внутреннего охлаждения кокиля: Охлаждение может быть
частично изменено путем использования внутреннего охлаждения с помощью
встроенной водяной рубашки.
Экологические эффекты от внедрения метода
Минимизация потребления воды и химических реагентов. Предотвращение и/или
снижение выбросов (диффузии).
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды не наблюдается.
Применимость
Эта технология используется на литейных заводах HPDC. Степень, до которой
может быть применена минимизация, зависит от типа отливки и используемых
машин.
Движущие силы внедрения
Минимизация потребления и выбросов.
Примеры заводов
Эта технология используется на больших заводах HPDC, например, при
изготовлении автомобильных деталей (Германия, Франция).
Справочная литература [7]
8.3.5.2 Применение разделительных составов для закрывающихся
литейных форм
Описание
Разделительный состав используется для закрывающегося кокиля для литья под
давлением в парообразном виде. Высокая температура приводит к конденсации и
осаждению пленки разделительного состава. Эта технология представляет собой
альтернативу распылению водного раствора разделительного состава на
поверхность открытого кокиля. Она способствует уменьшению расхода воды, а
также уменьшает потребление разделительного состава. Активные реагенты для
стадий процесса, например, выбивание отливки из кокиля, весьма подобны
методике, используемой для открытых литейных форм: твердый парафин,
алифатический углеводород, полисилоксан.
Однако, распыление воды также вызывает охлаждение поверхности кокиля.
Альтернативная технология, поэтому, требует расширенного контроля температуры
(главным образом при охлаждении) с помощью внутренней системы охлаждения
кокиля. Это может быть достигнуто путем уменьшения температуры масла.
Распыление воды и нанесение разделительных составов на поверхности кокиля
возможны в местах, где литейные формы не могут достичь заданного теплового
режима с помощью только одних систем внутреннего охлаждения.
Экологические эффекты от внедрения метода
Эта технология позволяет уменьшить расход воды и разделительного состава.
Это приводит к уменьшению количества сточных вод и к снижению выбросов пара,
содержащего частицы масла. Активные компоненты разделительного состава
подобны традиционным. Выбросы, обусловленные разложением разделительного
состава (и после открытия кокиля для извлечения отливки), следовательно,
253
П-ООС 17.02-02-2012
сопоставимы по своей природе с выбросами, возникающими при использовании
технологии открытых литейных форм.
Воздействие на различные среды
Эта технология требует увеличения затрат на охлаждение кокиля. В простых
случаях это может включать снижение температуры масла, но для более сложных
кокилей может потребоваться использование дополнительного контура охлаждения.
Эксплуатационные данные
Имеется информация о некоторых примерах работы литейных заводов по
производству алюминиевых отливок. Сообщается о 50 – 80%-ом снижении времени
распыления и о 80%-ом снижении потребления разделительных реагентов.
Применимость
Данная технология используется на существующих заводах, но может
потребовать производства специальных кокилей со встроенной или адаптированной
системой охлаждения. Применимость ограничена отдельными типами отливок,
кокилей и разливочных машин и основана на технических требованиях. Этот метод
не является общей альтернативой использованию разделительных составов.
Движущие силы внедрения
Стратегия литейного завода по снижению количества сточных вод и уменьшению
потребления воды и химических продуктов.
Примеры заводов
Есть сведения о некоторых примерах работы на литейных заводах по
производству алюминия.
Справочная литература [83], [7]
8.4 Литье металла
8.4.1 Увеличение выхода металла
Описание
Выход металла определяется как отношение расплавленного металла к весу
обработанных отливок. Разность между этими двумя величинами обусловлена
потерями металла (например, потерями при плавке, проливами металла, потерями
при шлифовке) и возвратным металлом (например, чушки, литники, отходы отливок).
Увеличение выхода металла включает в себя сокращение потерь и количества
возвратного металла.
Улучшение выхода металла возможно при использовании одной или нескольких
следующих мер:
- применение эффективного метода: соответствующее проектирование литников,
стояков, питателей, литниковой чаши и оптимизиация выхода из формы. Ценным
инструментом при выборе эффективного метода является использование
компьютерного моделирования процесса заливки и затвердевания;
- применение отходящих технологий плавки и разлива: для уменьшения потерь
при плавке, чрезмерной присадки чугуна для науглероживания, процента брака, и
т.д.;
- применение хорошей практики при формовке и изготовлении стержней: для
снижения отходов, обусловленных неточностями при изготовлении литейной формы
и стержней.
Экологические эффекты от внедрения метода
Увеличение выхода металла приводит к снижению потребления энергии, песка и
присадок на единицу годной отливки. Общий КПД процесса увеличивается.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды в этой технологии не наблюдается.
Эксплуатационные данные
254
П-ООС 17.02-02-2012
В таблице 8.25 представлены рекомендации для получения хорошего выхода
металла, полученные на основе данных по различным типам производства чугунных
отливок. Не возможно рекомендовать идеальный способ увеличения выхода,
который может быть принят на конкретном литейном заводе, поскольку очень много
зависит от типа металла, типа отливки, средств производства и рынка, который
должен обслуживаться. Поэтому необходимо, чтобы литейный завод ставил
индивидуальные цели, основанные на анализе его собственных текущих рабочих
характеристик.
Таблица 8.25 - Типичный выход металла для различных типов чугунных
отливок [86]
Тип отливки
Выход (%)
Тяжелый серый чугун, простая форма
85 - 95
Мелкосерийное производство или производство мелкими партиями 65 - 75
отливок среднего размера из серого чугуна
Механизированная серия, обычная качественная техническая или 65 - 75
муниципальная отливка малых или средних размеров из серого чугуна
Механизированная серия, высококачественная техническая отливка 60 - 65
относительно простой формы малых или средних размеров из серого
чугуна
Механизированная серия, высококачественная техническая отливка 55 - 60
малых или средних размеров из серого чугуна, усложненная сложной
стержневой конструкцией
Мелкосерийное производство или производство мелкими партиями 50 - 60
отливок средних размеров из чугуна с шаровидным графитом
Мелкая серия отливок малого или среднего размера из серого чугуна
45 - 55
Механизированная серия отливок из ковкого чугуна и небольших отливок 40 - 50
из чугуна с шаровидным графитом
В ответ на анкетный опрос 82 британских литейных завода сообщили о своих
рабочих характеристиках по выходу металла за период 1981 – 1987 г. Увеличение
выхода по типу металла (усредненное значение) представлено в таблице 8.26.
Таблица 8.26 - Усредненное значение параметров выхода на 82
сталелитейных заводах в Великобритании, 1981 - 1987 [86]
Серый чугун
Чугун
шаровидным
графитом
Ковкий чугун
Выход в 1981 г. Выход в 1987 г. Увеличение выхода (%)
(%)
(%)
60,5
63,0
2,5
с
51,8
55,7
3,9
36,4
39,2
2,8
Применимость
Эта технология применяется на всех существующих литейных заводах
черного и цветного металла.
Экономические показатели
Увеличение выхода металла возможно с помощью простых, дешевых
практических мер и контроля. Экономический эффект может быть высоким, так как
255
П-ООС 17.02-02-2012
каждый процент усовершенствования приводит к соответствующему снижению
энергопотребления при плавке и к уменьшению потребления песка и химических
продуктов.
Введение автоматизированного моделирования процессов заливки и
затвердевания требует инвестиционных затрат и затрат на обучение.
Движущие силы внедрения
Оптимизация эффективности процесса.
Примеры заводов
Выход металла является частью хорошей рабочей практики на большинстве
европейских литейных заводов.
Справочная литература [86], [9]
8.5 Газоочистка
8.5.1 Общие принципы
На различных этапах процесса производства литейного завода существует
возможность появления пыли, дыма и других газов,- например, на этапе хранения,
обработки и подготовки. Методы, необходимые для того, чтобы уменьшить выбросы,
включают в себя предотвращение образования, минимизацию и сбор дыма.
Чтобы предотвратить или задержать выбросы, можно использовать
герметизацию печи (или применять герметичные печи) вместе с контролем
технологического процесса. В разделах 8.5.2 – 8.5.6, описывающих покрытия печей,
сообщается, где можно использовать герметизацию печи, а где можно применить
другие методы удаления газа.
Чтобы сократить выбросы, которые нельзя предотвратить или собрать, можно
использовать других технологии. Газы и аэрозоли, образующиеся при работе,
попадают в рабочую зону и затем попадают в окружающую среду. Они могут
оказывать вредное воздействие на здоровье работников и безопасность, а также
оказывать воздействие на окружающую среду. Чтобы предотвратить и
минимизировать эти летучие выбросы используются различные методы сбора
технологического газа. Вытяжная вентиляция проектируется как можно ближе к
источнику возможного выброса. В некоторых случаях используются подвижные
вытяжки. В некоторых процессах для сбора первичных и вторичных выбросов
используются специальные отсосы.
Плавильный цех, цех по изготовлению стержней, завод по подготовке
формовочного песка и цех по обработке отливок являются значительными
источниками выбросов. Испускаемые выбросы, главным образом, содержат пыль
(возможно с частицами тяжелого металла), диоксид серы, угарный газ и
ароматические органические соединения. В таблице 8.27 представлены данные по
загрязняющим элементам, образующимся на различных стадиях литейного
процесса завода по отливке черных металлов. Как неорганические, так и
органические соединения представлены как в единичном виде, так и в группе
соединений. Выбросы пыли имеют особое значение, так как при термических
процессах может выбрасываться значительное количество тяжелых металлов.
Таблица 8.27 - Обзор воздушных загрязнений, появившихся на разных
этапах процесса сталелитейного завода [58]
256
Зачистка,
покрытие конечная
обработка отливок
Выбивка,
выбраковка
Отливка
Подготовка
стержней и форм
Сфероидизация
Десульфуризация
жидкого чугуна
Выброс
Работа печи
Источник
Склады сырья и
обработка
П-ООС 17.02-02-2012
Оксиды серы
Х
Х
Х
Х
Х
Оксиды азота
Х
Х
Х
Х
Двуокись углерода
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Монокись углерода
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Сероводород
Х
Х
Х
Аммиак
Х
Х
Х
Оксиды железа
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Соединения
Х
Х
щелочных
металлов
Соединения
Х
Х
Х
Х
щелочноземельных
металлов
Микрочастицы
Х
Х
Х
Х
Х
Х
окислов металла
Неметаллические
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
микрочастицы
Частицы чугуна
Х
Х
Цианид водорода
Х
Сера
Х
Амины/амиды
Х
Х
Диоксины
Х
Летучие
Х
Х
Х
Х
органические
составы
Пары кислоты
Х
Х
Х
Шум
Х
Х
Х
Х
Вещества включают свои соединения, за исключением случаев, когда существует
отдельная информация по соединению.
Воздушные выбросы также могут попасть в почву и воду, в зависимости от
используемой технологии очистки, например, из собранной пыли, отстоев или растворов.
Некоторые выбросы являются особыми для связывающей системы
8.5.1.1 Уменьшение летучих выбросов
Описание
Летучие выбросы происходят в случае, когда пропущены выбросы из отдельных
источников процесса. Помимо связанных с процессом источников выбросов,
указанных в разделе 8.5.1, потенциальными источниками выбросов являются:
- складские помещения (например, отсеки, складские запасы, кучи);
- загрузка и разгрузка транспортных контейнеров;
- транспортировка материалов из одного резервуара в другой (например, печь,
ковш, бункеры);
- процессы смешивания и очистки химических вяжущих составов (выбросы
неорганических и органических химических веществ);
- покрытия формы (растворители);
- конвейерные системы для перемещения материалов
257
П-ООС 17.02-02-2012
- трубопроводные системы и пылесборники (например, насосы, клапаны,
фланцы, сепараторы, дренажные трубы, смотровые люки и т.д.);
- недостроенные здания и системы отбора;
- байпасы закалочного оборудования;
- случайные потери при аварии на заводе или отказе оборудования, включая
утечки, например, с завода для регенерации песка.
Чтобы минимизировать летучие выбросы пыли, можно использовать следующие
методы:
- кожухи для контейнеров и емкостей;
- уменьшение наружных или открытых складских запасов;
- в случае, когда наружные складские запасы неизбежны, использование
аэрозолей, вяжущих составов, методов контроля за складскими запасами, защиту от
ветра и т.д.;
- очистка колес и путей (то есть предотвращение переноса загрязнений водой и
ветром);
- использование закрытых конвейеров, пневмотранспорта (хотя это требует
повышенных энергозатрат) и минимизация утечек;
- вакуумная очистка формовочного и литейного цехов на литейных заводах,
использующих песчаные формовочные смеси, за исключением мест, где песок
обеспечивает технические или связанные с безопасностью функции, например, зона
отливки, и за исключением мелкосерийных литейных предприятий ручной формовки;
- закрывание внешних дверей, например, используя автоматическую систему
закрывания дверей или запоров;
- хороший контроль, то есть проведение регулярных осмотров ответственным
персоналом как практика хорошего управления и современного учета.
Летучие выбросы, попадающие в воду, могут быть обусловлены внутренними
структурами или дефектной поверхностью. Такие выбросы могут быть
минимизированы следующими методами:
- путем идентификации и регистрации источников, направления и назначения
всех установленных дренажных систем;
- определение и регистрация всех поддонов для сбора отходов и емкостей для
хранения;
- проведение регулярных осмотров;
- проведение осмотров и обслуживания герметичных поверхностей и кромок
защитных кожухов;
- быть готовым к вмешательству, если рабочая область не оборудована:
-непроницаемым кожухом,
-герметизированными кромками,
-уплотненными конструкционными швами,
-соединением к герметичной дренажной системой.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение неконтролируемых выбросов.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды не наблюдается.
Применимость
Эти технологии используются на всех новых и существующих установках.
Движущие силы внедрения
Ограничение летучих выбросов уменьшит распространение ароматических
веществ и пыли на близлежащие окрестности завода. При расположении завода в
перенаселенных районах, это позволит сохранить хорошие отношения с соседями,
что является хорошим поводом для внедрения.
Примеры заводов
258
П-ООС 17.02-02-2012
Вакуумная очистка формовочного и литейного цехов: используется на различных
литейных заводах, использующих сырую формовочную смесь.
Справочная литература [58], [48], [20]
8.5.1.2 Использование общей трубы
Описание
Чтобы получить максимальные возможности очистки отходящих газов, горячие
выбросы могут быть собраны в минимально возможном количестве дымоходов.
Таким образом, можно избежать множественных точек выброса. Это особенно важно
при проектировании новых заводов или при изменении существующих процессов.
Экологические эффекты от внедрения метода
Сбор нескольких потоков выходящего газа в одну трубу позволяет
контролировать выбросы и увеличить полный объем (и выход) выбросов, идущих на
обработку и, таким образом, снизить уровень полного загрязнения окружающей
среды.
Воздействие на различные среды
Воздействие на различные среды не наблюдается.
Применимость
Данная технология может использоваться только на новых заводах или в случае,
когда существующие системы требуют существенных изменений.
Движущие силы внедрения
Увеличение возможности измерения и контроля работы литейного завода.
Примеры заводов
Эта технология широко применяется по всей Европе.
Справочная литература [58]
8.5.1.3 Методы сокращения выбросов
Описание
Чтобы очистить собранные отходящие газы, можно использовать различные
мокрые и сухие системы очистки. Выбор соответствующей методы зависит от
состава, скорости и условий выхода газового потока. Расчет процесса сокращения
выбросов очень важен. В расчете учитываются различные факторы, например,
эффективность, соответствие метода загрузки/разгрузки входного/отходящего
материала. В литейной промышленности используются следующие методы.
1. Удаление пыли и частиц с помощью:
-циклонов;
-тканевых или рукавных фильтров;
-увлажняющих скрубберов.
2. Системы газоочистки (SO2, Cl, удаление амина):
-влажная очистка, используя сорбционные колонны, скрубберы Вентури.
3. Сепараторы масляной пыли:
-увлажненные электростатические фильтры.
4. Удаление СО и органики:
-дожигание;
-биофильтры.
Для удаления пыли и микрочастиц используются как мокрые, так и сухие
системы. Главное преимущество использования сухих систем состоит в том, что
пыль отфильтровывается в сухом виде, что позволяет осуществлять ее повторное
использование. Кроме того, отсутствует загрязнение внешней среды, как имеет
место при использовании влажных систем. При удалении газообразных смесей,
например, SO2 и хлоридов, рукавные фильтры неэффективны, так как такие смеси
не осаждаются на поверхности фильтра. Эксперименты с инжекцией извести не
обеспечивают хороших результатов. Ниже перечислены системы, используемые для
удаления пыли и микрочастиц:
259
П-ООС 17.02-02-2012
- Циклоны: Если предприняты соответствующие меры (то есть использование
термостойкой стали, огнеупорной футеровки), то фильтр циклона может
использоваться для обеспыливания горячих отходящих газов (500 – 600 ºC).
Эффективность такого метода очень низкая и достигает уровней эмиссии 20 мг/нм³.
Циклон в основном используется как искрогаситель перед рукавным фильтром.
Циклоны используются для предварительной обработки перед другими системами
фильтрации;
- Мультициклоны: Эффективность работы циклона увеличивается с
уменьшением его диаметра. Использование параллельного ряда малых циклонов
позволяет отделять небольшие микрочастицы пыли без сильного падения давления
в зоне оборудования для очистки;
- Рукавный фильтр: Этот тип сепаратора широко используется на различных
этапах литейного процесса благодаря его хорошей эффективности. Это
способствует достижению хорошей эффективности при контроле выбросов
микрочастиц, попадающих в отходящие газы на стадии плавки. Также могут
улавливаться субмикронные частицы, например, оксиды металла. Для
соответствующей работы необходимо предпринять следующие меры: охлаждение
отходящего газа (T = 130 - 160 ºC) и искрогашение (с помощью циклона). Для очистки
отходящих газов с высоким содержанием ЛОС может использоваться дожигание
органических веществ (для снижения риска воспламенения). Процесс дожигания как
"противопожарная мера" для предохранения рукавного фильтра декларируется в
некоторых случаях для очистки отходящих газов от упаковки контейнеров. Обычно
эта технология не применяется когда потоки отходящих газов с высоким
содержанием пыли смешиваются с газовым потоком, имеющим увеличенное
содержание ЛОС, так как ее использование способствует увеличению налипания
частиц на фильтры и стенки. Схема внутренней и внешней части рукавного фильтра
представлена на рисунке 8.8.
Рисунок 8.8 - Блоки рукавных фильтров; внутренний (l) и наружный вид (m.,
r.) [6]
- Высокотемпературные системы фильтрации (использующие керамические
фильтры): Такие фильтры доступны на рынке, но в настоящее время они не
используются в литейной промышленности;
- Электростатические фильтры (ESP): Эти фильтры не нашли широкого
применения для обеспыливания отходящего газа литейных заводов. Из-за их
чувствительности к скорости газового потока, к температуре и влажности газа, они
подходят только для работы при непрерывном режиме плавки. Они также очень
взрывоопасны, благодаря большому объему газа, проходящему через них. Для
снижения такого риска фильтры требуют частой очистки, что может вызвать
экономические проблемы. Основная область применения электростатических
фильтров на литейных заводах - это удаление масляного тумана из отходящих газов
в процессе литья в кокиль под давлением.
Мокрые системы обеспыливания, например, системы Вентури и измельчители,
используются при очистке отходящего газа плавильного цеха. Сорбционные
260
П-ООС 17.02-02-2012
колонны используются для обеспыливания газов, не содержащих загрязнений,
появившихся на стадии плавки. По сравнению с сухими системами, мокрые системы
имеют следующие недостатки: более высокий расход энергии, более интенсивное
обслуживание (коррозия, бактерии), и они способствуют появлению сточных вод и
отходов, требующих утилизации.
Их преимуществом является улавливание соединений, растворимых в воде
(например, SO2, хлориды) и быстрое охлаждение, которое предотвращает
образование диоксина, низкие капитальные затраты и небольшие ограничения по
входной температуре.
- Скрубберы Вентури: Вода распыляется в газ, при его проходе через систему
Вентури. Ускорение газового потока в трубке Вентури вызывает интенсивное
смешивание обеих сред. Микрочастицы пыли увлажняются, что делает их более
тяжелыми, и таким образом они могут улавливаться в циклоне или другой системе,
размещенной дальше. Если газовый поток снижается, положение диффузора
корректируется, чтобы сохранить эффективность отбора;
- Измельчители: Эти, так называемые, динамические скрубберы содержат
концентрические ротор и статор, связанные вместе, через которые поток газа
подается с помощью вентилятора, размещенного дальше или с помощью
крыльчатки вентилятора, расположенной на внешнем конце ротора. Вода,
подаваемая в центральную часть ротора, распыляется на мелкие капли и
рассеивается в потоке газа. Мокрые микрочастицы попадают на стенки статора и
собираются в нижней части измельчителя. Система продолжает работать
эффективно и при снижении потока газа.
Системы дожигания и биофильтры будут обсуждаться в разделах 8.5.2. и 8.5.9,
соответственно.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение выбросов в атмосферу.
Воздействие на различные среды
Системы влажных скрубберов приводят к появлению потока сточных вод,
который затем необходимо обрабатывать. Очищенная вода может повторно
подаваться в процесс. Необходимо удалить куски шлама, образовавшегося при
обработке сточной воды.
Если литейный завод расположен в холодной климатической зоне (отопительный
период боле 6 месяцев), то усиление вентиляции воздуха также вызовет рост
расхода энергии, так как это приведет к необходимости более интенсивного
подогрева рабочего места.
Использование всех систем очистки требует использования энергии,
необходимой для создания потока газа через систему.
Эксплуатационные данные
Сравнение свойств влажных и сухих систем представлено в таблице 8.28. В
последующих разделах будут обсуждаться методы, используемые для различных
конкретных плавильных печей и для различных стадий процесса.
Таблица 8.28 - Свойства влажных и сухих систем очистки для литейных
заводов [13], [20], [7]
Метод очистки
Сухие системы
Мультицикло
ны
Уровень выброса
пыли*
Инвестиционные
100 - 200
мг/Нм³
Низкие
Мокрые системы
Рукавный
Система
фильтр
Вентури
<5 - 20 мг/Нм
<20 - 150
³
мг/Нм ³
Высокие
Низкие
Измельчитель
<20 - 150 мг/Нм
³
Средние
261
П-ООС 17.02-02-2012
затараты
Расход энергии
Низкий
Ниже
среднего
Преимущества/при
Используется
Хорошие
чина для выбора
для
характеристики
предварительной для
очистки газов,
соответствующей
перед другими
пыли при
методами
хорошем
контроле.
Возможность
повторного
применения
пыли в процессе
Недостатки
Низкая
Риск
эффективность возгорания,
при
большой объем,
возмущенном
осаждение при
потоке
конденсации
(осаждение пыли
в
распределителе).
Ограниченна
я эффективность
улавливания
микрочастиц
Высокий
Высокий
Частичный
Компактная
отбор SO2
установка
Низкий
Низкий риск
риск
повторного
повторного
образования
образования
Мокрый
осадок,
обработка
сточных вод,
потери
эффективности
при износе
Увеличенное
энергопотребление,
износ, мокрый
осадок, обработка
сточных вод
*Практические значения, которые сохраняются на протяжении всего срока
службы установки
На рисунке 8.9 представлены сравнительные данные по условиям работы
вагранок с горячим дутьем при влажной и сухой системе обеспыливания.
Основными отличиями являются распределение температуры отходящего газа и
расход энергии.
262
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 8.9 - Условия работы при влажном и сухом обеспыливании
отходящих газов для вагранки с горячим дутьем [87]
Применимость
Применимость различных систем очистки будет обсуждаться в следующих
разделах этой главы.
Экономические показатели
Данные по сравнению капитальных затрат и энергопотребления при
использовании рукавных фильтров и влажных сепараторов представлены в таблице
8.29.
Таблица 8.29 - Данные по капитальным затратам и энергопотреблению для
различных систем очистки [1], [13], [7]
Метод очистки
Инвестиционные
Энергопотребление
затраты*
(кВт/1000Нм³)
(ЕВРО/нм³)
Рукавный фильтр
2,5 - 5
1-3
Мокрый сепаратор
1,5 - 5
1-3
Биофильтр
7,5 - 10
* Исключая трубы и трубопроводы, но включая монтаж
Движущие силы внедрения
Контроль выбросов.
Примеры заводов
Эти методы широко используются на европейских литейных заводах.
Справочная литература [1], [13], [20], [7]
8.5.1.4 Предотвращение образования диоксина и его удаление
Описание
Диоксины важны для тепловых процессов, в которых участвуют металлы.
Диоксины или продукты предшествующей стадии реакции могут присутствовать в
некоторых видах сырья, и существует возможность их повторного синтеза в печах
или системах очистки. Диоксины легко адсорбируются на твердых поверхностях и
могут быть осаждаться на любых загрязнениях, например, на частицах пыли,
твердых частях скруббера и на отфильтрованной пыли. Испытания показали, что
формирование диоксинов в вагранках не может зависеть от одного (или нескольких)
рабочих параметров. Чтобы минимизировать риск образования диоксина
необходимо использовать комплекс мер.
Оперативные или предварительные меры для предотвращения выбросов
диоксина включают:
- дожигание отходящих газов печи в шахте в камере для дожигания. Процесс
сжигания отходящих газов вагранки полностью описано в разделах 8.5.2.2 и 8.5.2.3.
- непрерывный контроль температуры и управление камерой для дожигания HBC
(T > 850 ºC) и максимальное время процесса (предпочтительно > 2 сек)
- сохранение концентрацию микрочастиц в рекуператоре на уровне < 20 мг/м³,
для HBC это возможно при использовании влажного обеспыливания
- обеспечение быстрого охлаждения пыли в подаваемых отходящих газах, путем
повторного выдерживания при температуре 250 – 450 ºC
- предотвращение или снижение осаждения пыли на линии охлаждения
отходящего газа, особенно в теплообменнике, например, используя вертикальные
трубы, эффективную внутреннюю очистку, высокотемпературное обеспыливание
- переплавка чистого лома. Эта технология описана в разделе 8.1.4
263
П-ООС 17.02-02-2012
- использование инжекции кислорода, чтобы гарантировать полное сгорание. Эта
технология описана в разделе 8.2.1.8.
Хотя диоксины разрушаются при высокой температуре (то есть выше 850 ºC) в
присутствии кислорода, все же возможен процесс повторного синтеза, когда газы
охлаждаются при проходе через температурную зону синтеза (250 – 450 ºC). Это
зона может возникать в теплообменниках или в системах очистки и в более
охлажденных частях печи. Необходим внимательный подход к проектированию
систем охлаждения, с целью минимизации времени нахождения в зоне синтеза и
предотвращения увеличения пыли, чтобы избежать повторного синтеза.
Альтернативой этому является очистка отходящих газов путем быстрого
охлаждения, используя влажную систему очистки. Также в горячих газах необходимо
достаточное количество кислорода, и для этого может использоваться инжекция
кислорода, гарантирующая полное сгорание. Однако, следует избегать избыточного
количества кислорода, так как это может привести к появлению повторного синтеза.
Большое распространение и широкий диапазон уровней выброса диоксина (даже
на одной и той же установке) показывает, что одни только предварительные меры не
могут обеспечить постоянное низкое значение выбросов диоксина. Поэтому, помимо
превентивных мер, можно рассматривать следующие меры по снижению выбросов:
введение
дополнительного
порошка
в
поток
газа,
например,
активизированного углерода, кокс или цеолит, чтобы диоксины абсорбировались на
поверхности порошка. Для последующего удаления пыли диоксинов используется
высокоэффективная фильтрация. Присадка вводится в поток газа перед
фильтрацией. Процесс адсорбции в основном происходит в то время, когда
абсорбенты налипают на рукавный фильтр. Пыль, осажденная на фильтре может
быть повторно введена в отходящий газ для увеличения эффективности. Чтобы
предотвратить взрывоопасность и риск воспламенения при использовании присадки,
основанной на углероде, должны быть приняты специальные меры безопасности.
Собранная пыль может иметь высокую концентрацию диоксина и должна быть
утилизирована или тщательно обработана
- для разрушения диоксинов возможно применение систем каталитического
окисления. Для разрушения диоксинов используются тканевые фильтры,
содержащие катализатор. В других сферах (например, производство стали,
муниципальное сжигание мусора) эта технология уже успешно применяется, а ее
внедрение в литейной промышленности считается вполне реальным. Однако чтобы
предотвратить дезактивацию катализатора, может понадобиться предварительное
удаление грубых пылевых частиц.
Эти технологии должны рассматриваться в зависимости от их применения. Все
они могут быть включены в существующие процессы. Выбор наиболее эффективной
и экономически выгодной технологии будет зависеть от конкретного
местонахождения, аспектов безопасности и операционной стабильности, а так же от
экономических факторов.
Хотя отсутствие одного из пяти, упомянутых выше условий образования
диоксина, препятствует его синтезу, в настоящее время не возможно точно
рассчитать выбросы диоксина, рассматривая известные параметры работы.
Следовательно, при строительстве новой печи требуется осторожное рассмотрение
превентивных мер, а так же возможности осуществления дополнительных мер, в
случае появления неожиданно высоких значений.
Экологические методы от внедрения метода
Снижение выбросов диоксинов и фурфуранов в окружающую среду.
Воздействие на различные среды
Адсорбция диоксинов и фурфуранов на активированном угле генерирует поток
пыли. Чтобы предотвратить взрывоопасность в рукавном фильтре, может
264
П-ООС 17.02-02-2012
понадобиться смешивание активированного угля с известью. Это увеличит общее
количество отходов, подлежащих утилизации, и ограничит возможность повторного
использования пыли, осажденной на фильтре.
Эксплуатационные данные
Практические измерения диоксинов в вагранке с горячим дутьем, использующей
процесс сухого обеспыливания, показали высокий уровень содержания PCDD/F (5
нгTEQ/Нм³) в теплообменнике. Другие участки системы отвода отходящего газа
имеют намного более низкие значения. Поэтому, при использовании мер по
снижению диоксинов, необходимо стремиться к минимизации контактов между
пылью и топочным газом в этой зоне, путем уменьшения количества пыли или
сокращения времени нахождения пыли в данной зоне.
Уровень эмиссии PCDD/F, равный 0,5 нг TEQ/Нм3 может быть получен при
помощи превентивных мер; а менее 0,5 нг TEQ/Нм³ может быть достигнут при
применении одной или нескольких этих методик. Данные, полученные в Германии,
показали, что без дополнительных мер, уровень в 0,1 нг TEQ/Нм³ существует только
на ограниченном числе установок и имеет только ограниченное распространение.
Эксплуатационные данные, представленные в разделе 3.8.2, показывают, что этот
уровень должен оцениваться на каждом заводе.
Дополнительные меры, используемые на других участках доказали, что
возможно получить снижение до менее чем 0,1 нгTEQ/Нм³.
При скорости отходящего газа, равной 8000 м³/час, при скорости дутья 3000
м³/час, быстрое охлаждение отходящего газа вагранки от 800 ºC до 150 ºC, требует
потребления воды 4 м³/час.
Применимость
Эти технологии используются в других отраслях промышленности, например, в
сталелитейной и в производстве цветных металлов, и при сжигании мусора. Судя по
технической базе, они могут быть распространены на другие типы печей литейного
цеха, которые подвержены риску образования диоксина: вагранка, роторная и
дуговые электропечи для плавки чугуна и стали (раздел 3.8.2). Для новых и
существующих установок, прежде, чем вводить дополнительные меры очистки,
должны рассматриваться превентивные меры по снижению диоксина в зависимости
от конкретного случая, например, увеличение эффективности сгорания, изменения
конструкции печи и контроль качества отходов.
Использование дополнительной инжекции включает в себя установку
добавочной емкости, инжекционной системы и, в случае инжекции угля, меры
контроля, необходимые для предотвращения увеличения его количества. Чтобы
предотвратить риск пожароопасности, активированный угль может быть смешан с
известью и вводиться после первого фильтра, но перед специализированным
блоком вторичной фильтрации.
Применение катализатора на фильтрах требует минимальных технических
изменений существующих заводов, так как в этом случае требуется только замена
рукавных фильтров на каталитические фильтры.
Экономические показатели
Превентивные меры не требуют дополнительных капитальных затрат. Рабочие
затраты ограничены использованием кислорода или более высокой стоимостью
чистого лома.
Оценка уровня затрат проводилась для вагранки с горячим дутьем, как показано
в таблице8.38. Рабочие затраты зависят от используемой дозы кокса и
представлены в таблице 8.35. Затраты на оплату персонала, обслуживание,
запасные части, а так же на возможно необходимую замену рукавов или на
установки другого типа рукавов не были учтены.
265
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 8.34 - Оценка уровня инвестиционных затрат для установки с
инжекцией углерода, добавляемого к HBC [87]
Параметр
Объемный расход
Время работы
Дополнительный порошок
Добавочная цена
Цена на утилизацию мусора
Энергетические затраты
Единиц
ы
Нм³/час
час/год
ЕВРО/т
ЕВРО/т
ЕВРО/кВ
тчас
Состав частиц
Значение
50000
6250
Кокс мартеновской
печи
400
300
0,09
2 г/Нм³ - 100 кг/час
Инвестиционные затраты:
включая емкость, безопасное
оборудование, рециркуляцию и
объединение
- общие затраты
- годовые затраты
Расход энергии
Стоимость энергопотребления
ЕВРО
ЕВРО/го
д
кВт
ЕВРО/го
д
350000
52500
10
6000
Таблица 8.35 - Общие затраты для установки с инжекцией углерода,
добавляемого к HBC [87]
Параметр
Едини
цы
г/Нм³
мокрый
т/год
Значение
Содержание
0,2
0,3
0,4
0,5
кокса
Потребление
63
94
12
15
кокса
6
6
Стоимость
ЕВРО/
25
37
50
62
приобретения
год
200
600
400
400
Стоимость
ЕВРО/
18
28
37
46
утилизации
год
900
200
800
800
мусора
Затраты на
ЕВРО/
52
52
52
52
снижение уровня
год
500
500
500
500
загрязнения
окруж. среды
Стоимость
ЕВРО/
60
60
60
60
электроэнергии
год
00
00
00
00
Общие
ЕВРО/
10
12
14
16
затраты
год
2600 4300 6700 7700
Каталитические системы фильтрации используются в сфере сжигания отходов.
Данные по затратам при использовании этой технологии зависят от объема
266
П-ООС 17.02-02-2012
обрабатываемого отходящего газа, но не учитывают рабочих параметров, например,
отношение воздуха к материалу фильтра. По истечении 5 лет инвестиционные и
рабочие затраты можно оценить как 0,4– 0,5 ЕВРО /тонну расплавленного металла
для HBC и 0,9– 1.3 ЕВРО /тонну расплавленного металла для CBC. Такая оценка
затрат ни подтверждена, ни опровергнута пользователями каталитических
фильтров.
Движущие силы внедрения
Контроль ограничений выбросы диоксина и фурфурана при плавке металлов.
Примеры заводов
Снижение загрязнений с помощью инжекции кислорода: 3 завода CBC в
Нидерландах.
С помощью инжекции активированного угля: 1 завод в Германии.
Справочная литература [20], [15], [7], [57], [87]
8.5.1.5 Уменьшение выбросов ароматических веществ
Выбросы ароматических веществ в основном связаны с процессами,
использующими вяжущие составы для формовочного песка. Реальные
ароматические продукты пиролиза могут изменяться в зависимости от типа
используемой системы, но обычно продукты распада фенола, то есть крезолы и
ксиленолы (xylenol), являются самым общим источником ароматических веществ,
благодаря их очень низкому порогу обнаружения запаха. Распространение
ароматических веществ во время отливки, охлаждения и выбивки отливок из форм
включает их смешивание с большими объемами воздуха, что затрудняет их отбор и
нейтрализацию. Использование неорганических вяжущих составов, например, с
силикатом натрия, может существенно уменьшить выбросы. Не возможно назвать
полностью эффективного метода устранения генерируемых запахов литейного
завода, доступного в настоящее время. Общий подход должен гарантировать
хорошую вентиляцию и высокую скорость циркуляции воздуха, что гарантирует, что
ароматические вещества быстро и эффективно рассеются в атмосфере.
Комплексные меры, используемые в процессе, включают замену вяжущих составов
или растворителей (смотрите раздел 8.3.3.7). Используемые конечные технологии
стремятся уменьшить количество продуктов пиролиза (смотрите раздел 8.5.8.5) и
аминов (смотрите раздел 8.5.8.4). Они включают методы адсорбции, дожигания,
мокрые скрубберы и биофильтры (смотрите раздел 8.5.8.6).
8.5.2 Вагранка
8.5.2.1 Сбор газа, его очистка и охлаждение
Описание
Проектирование систем сбора и очистки газа основано на условиях,
устанавливающихся во время продувки, так как часто они являются самыми
серьезные условиями, испытываемыми во время работы системы. В конце процесса
отливки, печь больше не заполняется материалом шихты. Температур газа будет
постепенно увеличиваться, так как газ больше не охлаждается холодной загрузкой в
шахту. При контакте с кислородом, CO автоматически будет гореть. Температура,
следовательно, может достигать 1200 ºC, или еще выше. Система сбора о
нейтрализации газа должна быть способна справиться с такими серьезными
условиями.
Сбор газа
Для сбора колошникового газа используются две системы:
- Забор газа над завалочным окном: Отходящие газы отбираются в конце шахты
вагранки с помощью системы труб и установленного вентилятора. Место отбора,
расположенное над завалочным окном допускает приток воздуха, необходимого для
предотвращения выхода газов из вагранки. Этот объем дополнительного воздуха
может во много раз превышать поток газа из вагранки. Это увеличивает размер и
267
П-ООС 17.02-02-2012
стоимость систем отбора и очистки. Уменьшение размеров завалочного окна может
дать некоторые преимущества, но эта мера ограничена существующей опасностью
взрыва, так как слишком малое кислорода смешивается с CO, содержащимся в газах
вагранки (пульсационное горение)
- Забор газа под завалочным окном : Колошниковые газы вагранки отбираются
через кольцевое отверстие, расположенное ниже окна для загрузки шихты. Приток
воздуха не требуется, так как газы не могут выходить из отверстия, при условии, что
система управления достаточно чувствительна к изменениям скорости дутья
вагранки. Слишком малая скорость отбора газа может привести к выбросу
неочищенных газов через шахту вагранки, слишком большая скорость отбора может
привести к поступлению воздуха, что приводит к сгоранию и перегреву газов (то есть
возникает опасность взрыва).
Охлаждение
После отбора, возможно, понадобится охлаждение газов, что зависит от
используемой системы очистки. При работе с горячим дутьем, теплота,
освобождающаяся при охлаждении, может использоваться для предварительного
подогрева воздушного потока.
Для охлаждения собранных газов можно использовать несколько методов:
- Использование трубчатых холодильников: Пропускание собранных газов
через длинные трубопроводы, уменьшает температуру, из-за естественной
конвекции и излучения. Эта система проста, но занимает много места и не
предлагает контролируемого охлаждения (поэтому существует риск образования
конденсата)
- Использование принудительного воздушно/газового теплообменника:
Холодный окружающий воздух подается через трубы или пластины для охлаждения
газа. Сбор пыли и последующая очистка поверхностей теплообменника могут
привести к сложному и дорогому проекту системы. Одно из преимуществ этой
системы состоит в возможном использовании горячего воздуха для внешнего
подогрева. Рекуперативные вагранки с горячим дутьем оборудованы системой
дожигания и теплообменником (рекуператор), для подогрева воздушного потока
- Использование масло/газового теплообменника: Этот теплообменник подобен
вышеописанной системе, но более дорог из-за необходимости вторичной системы
охлаждения. Теплообменник обычно охлаждается путем циркуляции минерального
масла. Охлаждение с помощью водо/газового теплообменника не осуществляется
(или очень редко)
- Насыщение водой: В этом методе газы охлаждаются с помощью паров воды,
распыленной в потоке газа. Мокрые скрубберы работают лучше, если газы до
очистки охлаждаются в камере насыщения. Используя только тканевые фильтры,
возможно частичное насыщение, предотвращающее засорение ткани фильтра,
вследствие конденсации воды. Чтобы гарантировать корректную работу,
необходима хорошая система управления. Охлаждение газов имеет преимущество,
так как быстрое охлаждение снижает риск формирования диоксина.
Обеспыливание
Для удаления микрочастиц из отходящих газов можно использовать различные
типы оборудования для улавливания пыли. Обычно мокрые скрубберы имеют низкие
капитальные затраты и простое обслуживание, но для достижения приемлемой
эффективности отбора требуют большой подводимой мощности. Удаление шлама
является сложным делом, и до выпуска вода из скруббера требует обработки.
Сухие системы отбора имеют более высокие капитальные затраты и нуждаются
в лучшем контроле условий входного газа (температура, конденсация воды или
органических паров, отношения CO:O2, искры), но обычно потребляют меньше
энергии, необходимой для выполнения влажной очистки.
268
П-ООС 17.02-02-2012
Более того, сухая пыль вагранки может быть переработана и снова
использоваться (смотрите раздел 8.9.8.2).
В системах вагранки используются как скрубберы Вентури, так и измельчители.
Описания этих систем даны в разделе 8.5.1.3. Сепаратор для удаления небольших
частиц, внедренных в водяные капли, располагается после влажного скруббера.
Относительно сухих систем можно сделать следующие замечания:
- Мультициклоны: Они часто используются вместе с тканевыми фильтрами,
действуя в качестве фильтров грубой очистки. Они могут улавливать раскаленные
частицы кокса, достигающие ткани фильтра. При проектировании циклона
используются огнеупорная футеровка и высококачественная сталь, они могут
работать при высоких температурах. Заметим, что для эффективного отбора,
отвечающего современным требованиям, только одних циклонов не достаточно,
поэтому обычно они используются в комбинации с другими системами очистки
- Рукавные фильтры: Они идеально работают, когда газы дожигаются перед
обеспыливанием. Это помогает избежать проблем, связанных с осаждением
углеродсодержащего материала или с пожароопасностью. Рукавные фильтры могут
проектироваться для обеспечения хорошую эффективность сбора частиц,
содержащихся в металлургическом дыме, например, ZnO
- Электрофильтры: Эти системы менее распространены в европейской
литейной промышленности. Такая система лучше всего подходит для более или
менее постоянных условий работы, например, в длительных процессах вагранки, изза ее чувствительности к изменению температуры газ, его потока и влажности. При
смешивании несгоревшего газа с воздухом существует опасность взрыва, из-за
относительно большого объема осажденного продукта. Поэтому осажденные
вещества необходимо удалить прежде, чем подключать электроэнергию.
Схема вагранки с холодным дутьем с рекуперацией тепла и рукавным фильтром
представлена на рисунке 8.12.
Рисунок 8.12 - Технологическая схема вагранки с холодным дутьем с
рекуперацией тепла, охлаждением и рукавным фильтром [88]
Дожигание
Дожигание отходящих газов используется для оптимизации процесса
рекуперации тепла (связан со сгоранием СО) и обеспечения чистоты отходящих
газов. При сгорании СО все остаточные углеродсодержащие материалы мгновенно
окисляются до CO2 и H2O. Генерируемая теплота может быть восстановлена с
269
П-ООС 17.02-02-2012
помощью теплообменника и последующего переноса пользователю (например,
предварительный нагрев воздушного потока).
Обычное оборудование:
- камера дожигания размещенная перед рукавным фильтром или после влажного
фильтра, блок обеспыливания в системе с отбором ниже завалочного окна, это
описано в 8.5.2.2.
- природный газ горелки или контролируемая инжекция воздуха в шахту вагранки
(для системы с отбором выше завалочного окна), это описано в 8.5.2.3.
При проектировании системы следует убедиться, что отходящие газы останутся
при температуре выше 800 ºC течение соответствующего времени, то есть в течение
2 сек, это гарантирует полное окисление отходящих газов. Разные системы
подобного рода полностью описаны и обсуждаются ниже.
Экологические эффекты от внедрения метода
Сбор отходящих газов и их очистка являются необходимыми мерами для
снижения эмиссии продуктов сгорания кокса, таких как NOx, SO2, HF, PCDD/F и пыль.
Дожигание CO позволяет (дополнительно) осуществить рекуперацию тепловой
энергии из отходящих газов вагранки. Кроме того, оно позволяет осуществить
переплавку
отходов,
содержащих
нефтепродукты
без
дополнительных
экологических нагрузок, и таким образом стимулирует рециркуляцию металлов.
Дожигание без рекуперации тепла дает отрицательный экологический баланс
(смотрите раздел Воздействие на различные среды).
Воздействие на различные среды
Системы обеспыливания генерируют остаточную пыль, предназначенную для
утилизации. Образуется 5 – 13 кг пыли на тонну жидкого чугуна. Пыль может
повторно загружаться в вагранку. Это описано в 8.9.4.2. Характеристики пыли уже
были представлены в 7.2.2.2.
Дожигание СО без рекуперации тепла имеет отрицательные воздействия на
окружающую среду, так как должны использоваться горелки, мощностью десятки
кВт. Горелки генерируют выбросы отходящих газов и потребляют дополнительный
кислород.
Эксплуатационные данные
Тканевые фильтры имеют эффективность более 99 %. Ежедневное среднее
количество собранной пыли значительно ниже 10 мг/нм³. Суммарное количество Pb,
Zn, Cr, Cu, Mn,V, Sn, Cr, Ni, As, и Cd достигает приблизительно 20 % от полного
содержания пыли. Данные, представленные в таблице 8.36, получены при
исследованиях, проводимых Федеральным Экологическим Агентством в Германии
на работающих заводах. Представлены данные для 3 заводов.
Таблица 8.36 - Эксплуатационные данные по вагранкам с холодным дутьем,
использующим рукавный фильтр для сбора пыли, данные получены из [56]и
[7], [3]
Единицы
Мощность
плавки
- проектная
- реальная
Поток
отходящего
270
т/час
т/час
Завод D
Вначале
7,5 - 8
7,0
Завод E
Завод F
После
реконструкции
12,0
11,0
6-7
5,5
4-5
3,7
П-ООС 17.02-02-2012
газа
- расчетное
значение
действительное
значение
Год установки
фильтра
Последнее
изменение
фильтрующей
ткани
Дата измерения
Выбросы
- пыль
- неочищенный
газ
- очищенный газ
• среднее1
• мин.
• макс.
- газообразные
Нм³/час
25000
30000
20000
n.d
Нм³/час
19800
22300
17400
14300
1981
1995
1988
1985
n.d
1995
1988
1993
07/1981
11/1997
03/1993
03/1993
n.d
n.d
мг/Нм3
1623 - 2674
2
• SO2
• NOx
• Ctotal
• CO
• CO2
Выбросы
тяжелых
металлов
- Cd
- Cr
%
мг/Нм3
- Pb
- Zn
- Ni
- As
- Mo
Эмиссия
PCDD/FPCDD/FнгTEQ/Нм
3 нгTEQ/т
emissions
- чистый газ3
Fe
- коэффициент
эмиссии
Пыль с фильтра
- собранное
кг/т Fe
количество
- PCDD/F-Gehalt мг TEQ/кг
21,5
18,0
25,4
<1
<1
<1
3
1
5
3
2
4
288
43
n.d
700
7
n.d
n.d
n.d
n.d
n.d
174
24
22
11890
4,9
227
31
7
18980
3,9
n.d
n.d
0,512
1,620
0,085
0,330
4,850
0,960
Неоч. Чистый Чистый газ
0,0184 0,0019
0,7287 0,0384
0,00313
(ΣCu, Mn,
29,895 0,2952
Cr, V)
16,464 0,2862
0,2024 0,0077
0,7665 0,0149 0,00057
0,2672 0,0420
n.d
6,5 для
утилизации
8,2
повторное
использова
ние
271
П-ООС 17.02-02-2012
Материал
фильтра
Очистка
фильтра
Полиэфирна
я ткань с
покрытием из
PA
Пульсирующ
ий поток
Синтетичес Полиэфир Прошита
кая пленка
я ткань
Среднее
давление
потока
Пневматич
еская с
контролем
давления
Капиталь
ЕВР
385
370
n.d
35
ные затраты
О ‘000
(1981)
(1995/96)
0
Эксплуат
ЕВР
9,8
9,04(
n.d
n.d
ационные
О/тонну (1982) = 3 % 1998) = 2,8
расходы
годных
затрат на
%
отливок
отливки
затра
т на
отливки
1Усредненное количество пыли, рассчитанное на основе 3 - 5
получасовых измерений
2Концентрации диоксида серы, окиси азота, общего содержания
углерода, монокиси углерода и двуокиси углерода рассчитаны как среднее
значение при непрерывных измерения, продолжительностью более
нескольких часов при выборке пыли или PCDD/F
3Время выборки составляет 6 часов
n.d: нет данных
Данные для вагранок с горячим дутьем представлены в разделе 8.5.2.2.
Применимость
Этот метод используется на всех новых и существующих вагранках.
Экономические показатели
В таблице 8.36 представлены количественные значения по выбросам и
данные по экономике. Наиболее важные эксплуатационные расходы обусловлены
потреблением электроэнергии, требуемой для компенсации падения давления, и
расходами на материал фильтра.
Для плавильной установки, содержащей две вагранки с холодным дутьем, при
скорости плавки 4,5 т/час, коммерческая котировка выполнена при следующих
деталях:
- оборудование для уменьшения выбросов для обработки до 12400 м3/час
пыли, с камерой дожигания, работающей при температуре 820 ºC, допускающей:
а) ЛОС - 1 г/Нм3
б) CO - 59100 г/Нм3
- две горелки, работающие на метане – Мощность горелки 390 кВт
Установка и стартовая цена: 350000 ЕВРО.
Прогнозируемые затраты, при производстве 4500 тонн отливок, период
окупаемости пять лет, плюс 10% на энергопотребление и обслуживание в год: 23,3
ЕВРО/т.
Движущие силы внедрения
Уменьшение воздушных выбросов от литейных заводов.
Примеры заводов
Указанные технологии широко применяются на европейских литейных
заводах, использующих вагранки.
Справочная литература [88], [1], [13], [7], [3]
272
П-ООС 17.02-02-2012
8.5.2.2 Процесс дожигания при горячем дутье
Описание
Камера дожигания с горелкой установлена после вагранки. Обычно отдельный
блок дожигания должен подогреться с помощью горелки, работающей на природном
газе. Как только вагранка начинает работать, сгорание отходящих газов
поддерживается с помощью малой горелки, либо газы самовозгораются.
Тип и положение камеры могут изменяться в зависимости от состава
процесса. Существуют и горизонтальные и вертикальные типы камер для
дожигания:
- Вагранка с горячим дутьем с рекуператором и влажным скруббером
(рисунок 8.13): В этой системе газы очищаются до сгорания. Это уменьшает
количество осажденной пыли в рекуператоре, что увеличивает коэффициент
теплопередачи.
Одним из недостатков является более высокий расход энергии в блоке
дожигания, вызванный тем, что газы охлаждаются при прохождении через мокрый
скруббер.
Предварительное охлаждение отходящих газов выполняется непрерывно,
чтобы уменьшить размер блока очистки.
Рисунок 8.13 - Вагранка с горячим дутьем, с рекуператором и влажным
скруббером [1]
- Вагранка с горячим дутьем с рекуператором и рукавным фильтром
(рисунок 8.14): Горячие, загрязненные пылью, колошниковые газы подаются
непосредственно
в
модуль
дожигания.
Необходим
хороший
контроль
технологического процесса, чтобы предотвратить налипание частичек пыли на
стенки рекуператора, который должен регулярно очищаться. Газам необходимо
дальнейшее охлаждение до того как они попадут в рукавный фильтр, так как они
выходят из рекуператора при температуре 500 - 600 ºC.
273
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 8.14- Вагранка с горячим дутьем, с рекуператором и рукавным
фильтром [1]
Экологические эффекты от внедрения метода
При дожигании ограничивается выброс CO и сгорает большинство органических
соединений. При отсутствии дожигания они захватывались бы пылью или выходили
через трубу. Кроме того, дожигание уменьшает риск воспламенения в фильтре.
Воздействие на различные среды
Технологии сухого обеспыливания позволяют получить пыль для утилизации (4 –
12 кг/т жидкого чугуна). Пыль может быть повторно введена в вагранку. Это
обсуждается в разделе 8.9.8.2. Во влажных системах образуется шлам.
Эксплуатационные данные
Эксплуатационные данные для вагранок с горячим дутьем представлены в
таблице 8.37. Представлены данные по двум заводам:
1. Литейный завод G представляет собой предприятия, работающее 3 смены в
день, 5 дней в неделю, при мощности плавильного процесса - 50 т/час. Отходящие
газы отбираются ниже завалочного окна и сжигаются в рекуператоре. Выходящий газ
затем разделяется: одна часть идет в производство с горячим дутьем (T = 600 ºC),
другая часть идет в паровой бойлер. Пар подается в турбину, которая приводит в
действие генератор или компрессор. Остаточное тепло используется для
предварительного нагрева воздуха в рекуператоре. Выходящий газ затем очищается
в рукавном фильтре. Концепции очистки и дальнейшее обсуждение установки
представлены в 8.7.3. Пыль возвращается в вагранку, после смешивания с петкоком.
Это описано в 8.9.4.2.
2. Литейный завод H представляет собой предприятия, работающее 3 смены в
день, 5 дней в неделю, при мощности плавильного процесса - 70 т/час. Отходящие
газы отбираются ниже завалочного окна и сжигаются в рекуператоре. Тепло
используется для предварительного нагрева воздушного потока дутья и идет в
дальнейшую рекуперацию тепла, до выхода в трубу при температуре 220 ºC.
Дальнейшее обсуждение рекуперационной установки представлено в 8.7.3. Сточные
воды повторно используются после отстоя. Объем циркулирующей воды составляет
440 м³/час. Перед утилизацией осадок из отстойника обезвоживается в прессе
274
П-ООС 17.02-02-2012
фильтре до 50% содержания влаги. Приблизительно 80 м³ сточных вод в сутки
поступают на коммунальные системы очистки сточных вод.
Таблица 8.37 - Эксплуатационные данные по вагранкам с горячим
дутьем, использующим рукавный фильтр и измельчитель для сбора пыли
[89], [55], [7]
Мощность плавки
Поток отходящего газа
Температура горячего
дутья
Температура
отходящего газа
Год установки
системы обработки
отходящего газа
Дата получения
данных
Эмиссия
- Пыль
• Неочищенный газ
• Очищенный газ
среднее1
максимальное
- Газы2
• SO 2 •
NO x
• Ctotal
• CO
• O2
Выброс тяжелых
металлов
- Cr
- Crtotal
- Pb
- Zn
- Ni
Эмиссия1PCDD/F
- Чистый газ4
- Коэффициент
эмиссии
Фильтр для сбора
пыли
- отдельное
количество
- содержание PCDD/F
Использование
вторичного тепла
Единицы
т/час
Нм³/час
oC
Завод G
50
75000
600
Завод H
50
55000
570
oC
127
220
1989
1983
10/1990
Контрольное
измерение 09/1993
1300 - 4300
1,1
1,8
8000 – 20000
6,1
7,3
33
44
<5
32
12,2
15,6
52,5
28,6 (FID)
<100
6,4
Чистый газ3
<0,001
<0,001
<0,001
<0,011
n.d
Чистый газ
<0,0022
n.d
0,11
0,36
<0,004
0,048
0,089
0,003
0,004
Рециркуляция пыли
Осадки с фильтра для
утилизации
5,5
1,4
мг/Нм3 %
мг/Нм3
нг TEQ/Нм3
мг TEQ/т
Fe
кг/т Fe
мг TEQ/кг
4,5
0,176
Горячий воздух для
Воздух для горячего
дутья, пар для
дутья, горячее масло
производства
для рекуперации
электроэнергии до 3 вторичного тепла для
мВт
нагрева и сушки, до 21
275
П-ООС 17.02-02-2012
мВт
Инвестиционные
затраты
Эксплуатационные
расходы
DEM ‘000
26400
22700 в 1980/81
DEM/т годных См. данные в тексте См. данные в тексте по
отливок
по литейному заводу литейному заводу H
DEM(немецкая
G
марка)
1Среднее количество пыли рассчитывалось на основе 5 - 6 получасовых
измерений и 2x2 часовых значений для PCDD/F
2 Концентрации диоксида серы, оксида азота, общее содержание углерода,
монокиси углерода и двуокиси углерода рассчитывались как среднее значение при
непрерывных измерениях в течение нескольких часов во время отбора пыли или
PCDD/F
3 Во время измерения, рециркуляция пыли не работала
4 Время выборки составляло 2 часа
n.d: нет данных
Примечание: Отбор проб неочищенного газа проводился перед рукавным
фильтром на заводе G и перед дезинтегратором на заводе H; отбор проб чистого
газа проводился после рукавного фильтра на заводе G и после рекуператора на
заводе H
Сжигание дыма в камере дожигания не требует много энергии, при условии, что в
дыме содержится достаточное количество окиси углерода, что обычно имеет место.
Но полная система обработки дыма (камера для дожигания + теплообменник +
фильтр или мокрый скруббер + вентиляторы) также требует электроэнергии и
регулярного обслуживания. В таблице 8.38 представлены некоторые примеры
расхода энергии для вагранок с горячим дутьем.
Таблица 8.38 - Расход энергии в вагранках с горячим дутьем
Почасовая
Тип
производительность обеспыливания
вагранки
12
12
26
17
Потребление
Потребление
газа для камеры электроэнергии
для
для
дожигания системы
обработки
(кВтчас/т загрузки) дыма
(кВтчас/т загрузки)
Фильтр
59
46
Фильтр
124
72
Фильтр
42
n.d
Электрофильт
16
38
р (мокрый)
Применимость
На стадии проектирования особое внимание необходимо обратить на
минимизацию полного потока обрабатываемого газа. Входное количество воздуха,
необходимого для горения, необходимо сохранять минимальным. Это является
причиной установки отдельного блока дожигания всегда в месте расположения зоны
отбора, ниже завалочного окна печи.
По экономическим соображениям (смотрите ниже) камера дожигания
используется только на вагранках с горячим дутьем.
276
П-ООС 17.02-02-2012
Экономические показатели
Высокий расход энергии, требуемой для дожигания, экономически
целесообразен только, если освобожденная теплота отходящих газов может быть
использована повторно, как это происходит в рекуперативной вагранке с горячим
дутьем. Однако, переход с холодного дутья к вагранке с горячим дутьем по
единственной причине необходимости дожигания газа, может в определенных
ситуациях столкнуться с экономическими ограничениями. Вагранки с горячим
дутьем, предпочтительно используемые в длительном процессе плавки, требуют
более высоких капитальных затрат и используются только при нагрузке 10 т Fe/час
или более. На более малых литейных заводах этот метод производства не может
быть правильным выбором.
В таблице 8.37 представлены данные по экономике некоторых заводов. Для
литейного завода G представлены капитальные затраты для вагранки с горячим
дутьем,
с
рукавным
фильтром
и
интенсивной
рекуперацией
тепла.
Эксплуатационные затраты на 1994 г. (после реконструкции плавильного цеха)
оказались на 25 % ниже, соответствующих значений для 1985 г., то есть при
использовании старой плавильной печи. Для литейного завода H, представлены
капитальные затраты за 1980 - 1981 гг. После реконструкции эксплуатационные
затраты уменьшились на 2 % на тонну жидкого чугуна.
Движущие силы внедрения
Предельные значения для выбросов и непрерывный контроль содержания CO и
органических соединений.
Примеры заводов
Эта технология широко используется в HBC по всей Европе.
Справочная литература [89], [55], [1], [90], [7]
8.5.2.3 Дожигание в шахте вагранки
Описание
Газы воспламеняются при инжекции воздуха в верхнюю часть шихты или в зону,
расположенную выше верхнего уровня шихты. Воздушный поток корректируется
таким образом, чтобы выходящие газы возгорались спонтанно, благодаря
содержанию в них СО и температуре. Инжекторные сопла могут быть размещены на
одном или двух уровнях. Разделение воздушного потока по различным уровням,
выбор диаметра и положения сопел основаны на практическом опыте. Целью
оптимизации является сжигание СО без воспламенения кокса. Воздух поступает
также через завалочное окно. Этот избыток воздуха способствует более полному
сгоранию СО.
Для поддержания горения может быть установлена вспомогательная горелка.
При использовании малых коксовых завалок (то есть < 6 – 8 %) разумно провести
предварительную проверку.
Если используется рукавный фильтр, то дожигание выходящего газа должно
быть скомбинировано с его охлаждением. Для вагранок с горячим дутьем
охлаждение скомбинировано с предварительным подогревом воздушного потока.
При работе с холодным дутьем можно использовать быстрое охлаждение путем
инжекции воды в шахту печи. С другой стороны, можно использовать теплообменник
(выходящий газ – воздух). Это поясняется на рисунке 8.15.
277
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 8.15 - Принципы дожигания и охлаждения выходящего газа в
вагранках с холодным дутьем [90]
Установка системы дожигания на вагранках с холодным дутьем может быть
скомбинирована с полной реконструкцией ее работы на использование с горячего
дутья. Обычно, этот выбор основывается на требованиях к работе печи.
Характеристики горячего дутья и печей, предназначенных для продолжительной
работы, обсуждаются в разделе 2.8.1.
Экологические эффекты от внедрения метода
Система дожигания способствует ограничению выбросов СО и устраняет
большинство органических соединений. Дожигание снижает риск воспламенения на
фильтре.
Известно, что эта технология способствует уменьшению взрывоопасности при
определенных условиях. Положительный экологический эффект ограничен
случаями, когда выходящий газ большую часть времени сгорает без использования
дополнительной горелки. В противном случае, требуемая дополнительная энергия,
уравновесит эффект уменьшения СО.
Воздействие на различные среды
Если газ, выходящий из вагранки, не загорается самостоятельно, то необходимо
использовать дополнительные горелки для воспламенения или поддержания
процесса. Они требуют значительной дополнительной энергии и увеличивают
полный объем отходящего газа.
Эксплуатационные данные
Две конфигурации систем дожигания в шахте и охлаждения, на вагранках с
холодным дутьем были исследованы сотрудниками CTIF в промышленном
масштабе; вагранка I была оборудована системой инжекции воды в шахту, циклоном
и рукавным фильтром, вагранка J была оборудована газово-воздушным
теплообменником, циклоном и рукавным фильтром. Эксплуатационные данные
представлены в таблице 8.39. Результаты измерений и ссылки на действующее
законодательство представлены в таблице 8.40.
Таблица 8.39 - Эксплуатационные данные по двум конфигурациям,
использующим систему дожигания с водяным охлаждением (I), и воздушным
охлаждением (J) [90]
278
П-ООС 17.02-02-2012
Параметр
Плавильная мощность
Первичный + вторичный воздушный поток
Воздушный поток для дожигания
Поток воды
Поток отходящего газа (отводная труба)
Время сгорания до рукавного фильтра
Время охлаждения
Эффективность сжигания CO
Единицы
тонн/час
Нм³/час
Нм³/час
l/час
Нм³/час
сек.
сек.
%
Завод I
10,3
7389
2372
2678
26780
10,5
<1,7
66
Завод J
9,2
6484
1549
39179
12,3
6,01
96,5
Таблица 8.40 - Аналитические результаты и действующее (Французское)
законодательство, для систем дожигания отходящих газов, используемых в
вагранке с холодным дутьем с водяным охлаждением (I), и с воздушным
охлаждением (J) [90]
Завод I
Состав
Пыль
анализ
флюс
Завод J
анализ
флюс
Дата
введения
пределов
02/02/98
предельное рассматриваемый
значение
предел*
100 мг/Нм³ <1 кг/час расплав
200 г/т
= 8 тонн/час
1,7 - 2,8 0,04 - 0,07 1 мг/Нм³
мг/Нм³ 3 - 5 кг/час
34 г/час
г/т
CO
450 Нм³/час 560 кг/час 35
44
50 кг/час
Нм³/час
кг/час
HCl
22 мг/Нм³ 0,4 кг/час 9,2 мг/Нм³ 0,35
50 мг/Нм³ 1 кг/час
кг/час
HF
13 мг/Нм³ 0,24 кг/час 4,8 мг/Нм³ 0,18
5 мг/Нм³
0,5 кг/час
кг/час
HCN
<0,007
0,13 г/час <0,01
0,38
5 мг/Нм³
50 г/час
мг/Нм³
мг/Нм³
кг/час
NH3
0,61 мг/Нм³ 12 г/час
0,10
3,8
50 мг/Нм³ 100 г/час
мг/Нм³
г/час
NOx
9 мг/Нм³
0,17 кг/час 15 мг/Нм³ 0,57
500 мг/Нм³ 25 кг/час
кг/час
ЛОС
не 13 мг/Нм³ 0,25 кг/час 6 мг/Нм³ 0,23
110 мг/Нм³ 2 кг/час
метан
кг/час
*: Если содержание флюса ниже рассматриваемого предела, то измеренное
значение может превышать предельное значение
Водяное охлаждение путем разбрызгивания имеет эффективность разрушения
СО, равную 66 %, что соответствует действующему законодательству. Охлаждение
отходящего газа в теплообменнике обеспечивает более высокую эффективность (98
%). Обсуждение рабочих характеристик систем охлаждения представлено в разделе
8.5.2.1.
Применимость
Изменение системы отвода газов в существующей вагранки с верхней на
нижнюю, относительно завалочного окна шахты, в большинстве случаев
невозможно. Следовательно, дожигание отходящих газов в шахте печи является
более реальным решением для вагранок с системой отвода газов выше завалочного
окна.
279
П-ООС 17.02-02-2012
По экономическим соображениям, использование системы дожигания в основном
связано с вагранками, имеющими горячее дутье. Однако, недавно, также была
разработана система дожигания для печей с холодным дутьем, свободная от
сложностей монтажа, присущих установкам с горячим дутьем. Эта система в
настоящее время работает во Франции. Следовательно, термин 'дожигание в шахте'
относится и к работе вагранок и с горячим и с холодным дутьем.
В Чехии, при проверке возможности применения систем дожигания в шахте,
изучался целый ряд вагранок с холодным дутьем. За весь период плавки не
наблюдалось спонтанного сгорания во всех этих системах. В каждом случае
требовалась установка дополнительной воспламеняющей горелки, требующей
дополнительной энергии. Объем выбросов вагранки также возрастал.
Экономические показатели
Высокий расход энергии в системах дожигания должен оцениваться по
отношению к получаемой прибыли. При работе с горячим дутьем освобожденная
тепловая энергия отходящих газов может быть использована повторно, что делает
инвестиционные затраты более жизнеспособными.
Высокий расход энергии в системах дожигания имеет экономический эффект
только в случае, когда освобожденная тепловая энергия отходящих газов может
быть использована повторно, как это имеет место в рекуперативной вагранке с
горячим дутьем. Однако переход от холодного дутья к вагранке с горячим дутьем по
единственной причине дожигания газов, не целесообразен. Вагранки с горячим
дутьем используются в основном в длительных процессах, требующих больших
капитальных затрат, и применяются только при производительности 10 тонн Fe/час
или выше. Для более малых литейных заводов этот метод производства не
соответствует правильному выбору.
Инвестиционные затраты для двойной вагранки с холодным дутьем, имеющей
внутренний диаметр 850 мм, производительностью 4,5 тонны в час, при ее работе 10
часов в день, 5 дней в неделю, находится в диапазоне 300000 ЕВРО.
Движущие силы внедрения
Предельные значения по выбросам и непрерывный контроль СО и предельных
значений по органическим соединениям.
Примеры заводов
Известно о применении этой технологии на 2 литейных заводах во Франции.
Справочная литература
с горячим дутьем: [14], [7]
с холодным дутьем: [90], [7].
8.5.3
Электродуговая печь
8.5.3.1 Отбор выходящего газа
Описание
Микрочастицы выходящие из электродуговой печи очень мелкие и трудно
улавливаемые. Отбор дыма и пыли в такой печи очень трудная для решения задача.
Существует несколько методов, которые имеют различные преимущества и
недостатки. На рисунке 8.16 представлены схемы устанавливаемых отсосов,
боковых вытяжных систем и систем вытяжки через специальное отверстие.
280
П-ООС 17.02-02-2012
Рисунок 8.16 - Схемы работы (a) системы с вытяжным зонтом, (б) с
бортовым отсосом и (в) с системой непосредственной эвакуации через
специальное отверстие [44]
- системы с вытяжным зонтом: Зонт устанавливается на своде печи и собирает
отходящие газы, выходящие через зазор между кожухом печи и крышкой. Зонт имеет
достаточно большой вес и подвержен деформациям от температуры. При его
установке на существующей электродуговой печи, могут возникать проблемы,
обусловленные увеличением нагрузки на конструкцию механизма подъема и
поворота крышки. Обычно, степень отсоса газов для такой системы, составляет 7500
- 15000 Нм3/тонну
- система с бортовым отсосом: Отсос устанавливается на крышке печи и
собирает газы, выходящий через отверстия для электродов. По сравнению с
системами с вытяжным зонтом, в этом случае требуются более высокая степень
экстракции, поскольку для отвода дыма необходимы высокие скорости откачки.
Можно ожидать некоторую утечку загрязняющих веществ в атмосферный воздух,
если не обеспечено соответствующее уплотнение системы. По имеющейся
информации, системы с бортовым отсосом увеличивают расход электродов.
- фонарь: Выше системы загрузки, над всей печью располагается большой
аэрационный фонарь. В этом случае, между печью и системой откачки, создается
большой промежуток, затрудняющий контроль выходящего дыма и пыли, даже при
высокой тяге. Поперечные перемычки существенно снижают эффективность
удаления. Эти недостатки делают использование таких систем отбора
непривлекательными.
- непосредственная вытяжка из печи через специальное "четвертое
отверстие": Дым отбирается через водоохлаждаемый или огнеупорный
трубопровод, связанный с четвертым отверстием в своде печи. Воздух всасывается
через соединения трубопроводной системы, таким образом, обеспечивая приток
кислорода, необходимого для сгорания СО в неразбавленном и горячем выходном
газе. Это уменьшает взрывоопасность в системе сбора пыли. Размеры камеры для
дожигания очень важны, чтобы гарантировать достаточное сгорание на всех стадиях
цикла плавки. Отработанный газ (900 ºC) охлаждается при его разбавлении
воздухом, путем инжекции воды, в теплообменниках (водяные рубашки) или при
прохождении по длинным трубопроводам. Процесс охлаждения необходим для
защиты пылевых фильтров. Расход электродов обычно выше, из-за их окисления
- частичная обвязка печи: Вокруг печи и зоны выпуска плавки устанавливаются
подвижные или закрепленные ограждения. Первые могут сдвигаться, чтобы
позволить загрузку и выпуск плавки, в то время как вторые оборудуются подвижной
крышкой и боковыми стенками, используемыми для той же цели. При использовании
таких типов систем отбора эффективность может достигать 98 %
281
П-ООС 17.02-02-2012
- полная обвязка печи: Эти системы состоят из большого закрепленного зонта,
полностью окружающего плавильную печь и разливочный ковш. Недостатками этой
технологии являются высокие температуры и уровни шума внутри ограждения.
Однако их преимуществом являются низкий уровень внешнего шума и низкий расход
энергии. По оценке, расход энергии на 30 - 50 % меньше соответствующего значения
при использовании фонаря.
Экологические эффекты от внедрения метода
Отбор отходящего газа способствует проведению контролируемого отвода и
обработки потока отходящего газа, и приводит к минимизации как пропущенных, так
и контролируемых выбросов.
Воздействие на различные среды
Удаление отходящих газов увеличивает расход энергии. Поскольку при этом
возможна очистка отходящего газа, это позволяет собирать пыль для утилизации
или повторного использования.
Эксплуатационные данные
В таблице 8.41 представлены типичные скорости потока отходящих газов и
эффективность различных систем отбора.
Таблица 8.41 - Типичные скорости потока отходящих газов (в м³/сек) и
эффективность удаления микрочастиц в системах очистки [44]
Скорость потока выпускного газа
Эффективность
при заданной производительности удаления
микрочастиц
печи
(%)
3,9 т/час,
9,1 т/час,
22,7
Диапазо
Обычны
т/час,
н
й макс.
12,9
19,8
50,00
90 - 100
99
Бортовой
отсос
Фонарь
7,7
11,9
30,00
95 - 100
99
Непосредстве
3,2
5,0
12,5
90 - 100
99
нная вытяжка
Полная
35 - 42
обвязка
На польском литейном заводе, при установке полного ограждения на двух печах,
с допустимой нагрузкой 8,5 тонн каждая, привела к снижению уровня помех при
плавке, от 91 дБ менее чем 85 дБ.
Применимость
Вышеуказанные технологии используются на всех новых и существующих печах,
при следующих ограничениях:
- при установке системы с вытяжным зонтом на существующей печи, могут
возникнуть проблемы, обусловленные увеличением нагрузки на конструкцию
механизма подъема и поворота крышки
- применение системы непосредственного удаления из печи с использованием
четвертого отверстия, ограничено большими электродуговыми печами, так как
крышка должна быть достаточно большой, чтобы использовать четвертое отверстие,
без какого бы то ни было ослабления конструкции. Эта технология не используется
при плавке чугуна, так как приток свежего воздуха способствует чрезмерному
окислению углерода.
Экономические показатели
Строительство и монтаж защитных кожухов на двух печах, с допустимой
нагрузкой 8,5 тонн каждая, потребовало затрат 275000 ЕВРО (в ценах 1996 г.),
282
П-ООС 17.02-02-2012
исключая затраты на дальнейшую реконструкцию системы фильтрации и системы
трубопроводов.
Движущие силы внедрения
Требования, касающиеся здоровья персонала. Эта технология позволяет
использовать методы газоочистки в потоке отходящего газа.
Примеры заводов
Metalodlew Foundry, Краков (Польша)
Metso Lokomo Steels and Sulzer Pumps Karhula Foundry (Финляндия)
Справочная литература
[88], [1], [44], [91]
8.5.3.2 Очистка отходящего газа
Описание
Системы очистки отходящего газа электропечей должны быть очень
эффективными, так как в газе присутствуют частицы малых размеров. Для очистки
отходящих газов широко используются тканевые фильтры. Скрубберы Вентури или
измельчители применяются реже, из-за их более высокого расхода энергии,
потребности в обработке воды перед выпуском и из-за необходимости утилизации
или переработки влажных фильтрующих материалов. Тканевые фильтры широко
используются вместо электростатических фильтров, из-за больших изменений
температуры газа и концентрации микрочастиц в отходящих газах.
При использовании тканевых фильтров, необходимо соблюдать меры
предосторожности для защиты фильтрующей среды, как обсуждается в 8.5.1.3. Они
включают:
- использование высокого температурного циклона или мультициклона;
- использование оборудования для охлаждения газа. В этом случае отходящие
газы охлаждаются при их разбавлении окружающим воздухом, путем инжекции
воды, в теплообменниках или при прохождении по длинным трубопроводам.
Инжекция воды, в частности, имеет дополнительное преимущество, заключающееся
в этом, что быстрое охлаждение отходящих газов предотвращает рекомбинацию
частично сгоревших органических веществ и, таким образом, способствует более
чистому выбросу. Система охлаждения нуждается в эффективной системе
управления, чтобы предотвратить попадание слишком горячих газов на тканевые
фильтры.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение выбросов микрочастиц из печей.
Воздействие на различные среды
Использование методов влажного обеспыливания требует более высокого
расхода энергии, существует потребность обработки воды перед выпуском и
необходимость в утилизации.
Эксплуатационные данные
Эксплуатационные данные представлены в 3.2.3.8. Современные рукавные
фильтры имеют отношение промежутков к ткани от 2:1 до 3:1. Отношение
промежутков к ткани (плотность) характеризует объемный воздушный поток,
проходящий через фильтр, и выражается в (м³/сек)/м², что имеет то же самое
значение, как и скорость прохождения через фильтрующие среды.
Применимость
Эти технологии могут использоваться на всех новых и существующих системах.
Экономические показатели
Затраты на установку новых систем удаления пыли на существующем польском
литейном заводе, использующем две плавильных печи, производительностью 8,5
т/час, представлены в таблице 8.42. Выбросы пыли были снижены от 10 – 13 кг/час и
283
П-ООС 17.02-02-2012
145 – 150 мг/нм³ до 0,2 – 0,25 кг/час и 2,8 – 2,9 мг/нм³. Также произошло большое
снижение диффузных выбросов от цеха плавки.
Таблица 8.42 - Информация по затратам при установке оборудования для
удаления и очистки отходящего газа в печи EAF [91]
Капитальные затраты
Фундамент и реконструкция старого коллектора
Строительство и монтаж защитного кожуха над двумя печами
Покупка и монтаж блока фильтрации и электрических систем
Исследование, реализация и контроль
Эксплуатационные затраты
ЕВРО*
115000
275000
560000
80000
EВРО/го
д
Амортизация
Электроэнергия
Ремонты и обслуживание
* Цены конвертированы из злотых по курсу 1999 г.
100000
88000
1500
Движущие силы внедрения
Ограничение выбросов пыли при плавке металлов.
Примеры заводов
Вытяжной зонт с блоком рукавных фильтров: Литейный завод Metalodlew, Краков
(МН) Metso Lokomo Steels and Sulzer Pumps Karhula Foundry (Финляндия)
Справочная литература [44], [1], [88], [91]
8.5.4 Индукционная электропечь
8.5.4.1 Удаление отходящего газа
Описание
Удаление дыма и пыли является очень трудной задачей при установке системы
отбора отходящих газов на индукционной тигельной электропечи, так как в ней
отсутствует отводная труба. В прошлом десятилетии были разработаны несколько
методов, каждый из которых имеет и преимущества и недостатки.
- Обычная вентиляция рабочей зоны: Вентиляционные панели с жалюзи,
установленные на стенках, и вентилируемый кожух, расположенные на платформе
печи, используются для увеличения естественной конвекции дыма и его вывода
наружу. Даже с помощью экранов, установленных на крышке и имеющих высокую
степень экстракции, эффективность таких систем часто невелика и легко изменяется
при разливах металла.
- Вытяжной зонт: Так как низко расположенные зонты мешают системам
загрузки, над загрузочным устройством должны быть установлены большие
аэрофонари. При этом возникает большой промежуток между печью и
откачивающей системой, что мешает контролировать выходящий дым и пыль, даже
при использовании высокоэффективных откачивающих систем. Поперечные
перегородки могут серьезно уменьшить эффективность отбора системы. Эти
недостатки делают использование таких систем отбора непривлекательным.
- Подвешиваемые зонты: Такие кожухи более эффективны при их
использовании вместе с вибропитателями. Окна в кожухе могут упростить процесс
загрузки. Во время выпуска плавки зонт навешивается над ковшом, способствуя
эффективному отводу газа.
- бортовые отсосы: Расположение отсоса рядом с печью способствует хорошей
доступности печи и отсутствию помех для загрузочных систем. Из-за высокой
284
П-ООС 17.02-02-2012
летучести отходящих газов, достигаются большие скорости откачки, что приводит к
высокой эффективности, особенно когда отсос расположен вне платформы печи. В
этом случае, во время выпуска плавки, контроль за откачкой затруднен.
Расположение на платформе печи позволяет решить эту проблему, но может
помешать загрузочным операциям. Эффективность может быть увеличена путем
установки воздуходувок на противоположной стороне дымососа, направляющих
поток пыли и дыма в отсос. К сожалению, это не работает, если существуют какиенибудь помехи для воздушного потока, что как раз имеет место во время загрузки.
- Воздухозаборник: Всасывающий патрубок размещается в верхней части печи и
располагается таким образом, чтобы он смещался вместе с печью во время
скачивания шлака или выпуска плавки. Такая система не мешает загрузочным
операциям. При закрытой крышке система обеспечивает очень хороший контроль,
так как располагается максимально близко к источнику выбросов и можно
использовать небольшие скорости откачки. Дым не попадает в зону размещения
операторов печи. Однако контроль за откачкой значительно ухудшается при
открытии крышки печи, например, во время загрузки.
При проектировании такого оборудования для отбора отходящих газов требуется
учет многих факторов. Поставщики предлагают решения, помогающие преодолеть
некоторые из недостатков.
Следует обратить внимание на материал, используемый для зонтов и
трубопроводов, так как газы могут иметь высокую температуру. На стадии
проектирования также необходимо учитывать нагрев, полученный при излучении или
конвекции из ванны расплавленного металла. Соответствующее обслуживание, в
комбинации с наличием датчиков температуры, снижает риск воспламенения.
В этом случае чистота лома также играет важную роль. Если лом содержит
органические материалы, то температура выходящего газа может повыситься,
благодаря сгоранию материала, таким образом, требуется использование
термостойкой стали или даже огнеупорный футеровки. Масляные загрязнения,
образовавшиеся при конденсации масляного пара в трубопроводах, аккумулируют
пыль и могут увеличить пожароопасность, если не удаляются регулярно. При
использовании чистого лома, можно применять конструкции из низкоуглеродистой
стали и не беспокоиться об очистке.
Экологические эффекты от внедрения метода
Удаление отходящего газа способствует контролируемой эвакуации и обработке
потока отходящего газа, и приводит к минимизации неконтролируемых выбросов.
Воздействие на различные среды
Использование системы отбора отходящих газов приводит к увеличению расхода
энергии. Кроме того, так как возможна дальнейшая очистка отходящего газа, при
этом также образуется пыль, требующая утилизации или переработки.
Эксплуатационные данные
При использовании специальных систем отбора, например, бортовых отсосов,
подвижных зонтов возможно получение эффективности отбора более 95 %.
Практический опыт работ, полученный на немецком литейном заводе по
производству чугуна, показал, что крышка печи открыта в среднем в течение 25 %
рабочего времени печи. В период ее открытия, выполняются процессы,
способствующие образованию пыли, например загрузка присадок, скачивание шлака
и разлив металла. Система разгрузки с использованием сливного носика,
установленного на крышке печи, не позволяет отводить образовавшийся дым.
Установка телескопического зонта позволила осуществлять эффективное удаление
отходящих газов во время открытия крышки.
Применимость
285
П-ООС 17.02-02-2012
Установка оборудования для сбора отходящих газов используется на всех новых
и
существующих
индукционных
электропечах,
как
в
сталелитейной
промышленности, так и при производстве цветных металлов.
Движущие силы внедрения
Уменьшение количества выбросов в окружающую среду.
Примеры заводов
Эти технологии обычно используются на индукционных электропечах в Европе.
Конкретным примером служит Walter Hundhausen GmbH& co KG (Германия)
Справочная литература [88], [92], [1]
8.5.4.2 Очистка отходящего газа
Описание
Системы очистки отходящего газа индукционной электропечи должны быть очень
эффективными, из-за малого размера улавливаемых частиц. Для фильтрации
отходящих газов широко используются тканевые фильтры. Тканевые фильтры
имеют преимущества по сравнению с электростатическими фильтрами, так как они
больше соответствуют широким колебаниям температуры газа и концентрации
микрочастиц в отходящих газах.
При использовании тканевых фильтров необходимо учитывать присутствие в
отходах нефтепродуктов, поскольку масляный пар может конденсироваться на
фильтрующей ткани и блокировать поры, что сделает удаление налипающей пыли
невозможным. Существует также возможность возгорания. Быстрое падение
давления в системе, происходящее при закупорке пор, снижает эффективность
откачивающей системы. Поэтому, чтобы предотвратить загрязнение рабочей зоны,
фильтрующий материал должны заменяться или восстанавливаться (путем очистки)
намного быстрее, чем при использовании чистого лома. Использование тканей с
покрытием или инжекция извести в трубопровод могут помочь в решении этой
проблемы. Кроме того, если существует вероятность возгорания масляного пара в
трубопроводе, то в процессе должно быть обеспечено достаточное время,
необходимое для полного сгорания, перед тем как пар попадет в корпус фильтра.
Температура газа не должна превышать расчетную рабочую температуру ткани
фильтра. В этом случае может понадобиться охлаждение газов до фильтра.
Обычно используемые мокрые скрубберы должны быть высоко эффективными
(например, труба Вентури), так как углеродсодержащий и металлургический дым
содержит очень малые частицы. Это требует значительной мощности вентилятора
для создания достаточной турбулентности в скруббере, что способствует осаждению
частиц. Поэтому, при использовании систем отбора с небольшим потреблением
окружающего воздуха, скорость потока выходящего газа поддерживается на
минимальном уровне. При нормальных условиях коррозия не является проблемой.
Если в печь попадает стружка, содержащая смазочно-охлаждающие жидкости, то
необходимо заметить, что некоторые из этих жидкостей могут содержать серу,
которая способствует формированию SO2. Это может вызвать проблемы с
оборудованием, поскольку поглощение SO2 в скруббере приводит к подкислению
воды и, в конечном счете, к коррозии оборудования, если не проводилась ее
обработка.
Некоторые литейные заводы по производству алюминиевых сплавов плавят
материал, восстанавливаемый при электролизе алюминия. В этом случае могут
формироваться неорганические загрязняющие вещества, например, фторид
водорода. Они могут удаляться из отходящего газа, используя стадию химической
адсорбции, которая может быть добавлена к системе очистки. При такой обработке в
качестве адсорбента может использоваться гидроокись кальция или окись
алюминия.
Экологические эффекты от внедрения метода
286
П-ООС 17.02-02-2012
Снижение количества микрочастиц и окислов в выбросах индукционных
плавильных печей.
Воздействие на различные среды
Очистка отходящего газа увеличивает расход энергии. При обеспыливании
отходящего газа образуется пыль, которая требует утилизации или переработки.
Использование мокрых методов обеспыливания приводит к более высокому расходу
энергии, необходимость обработки воды до выпуска, и потребность в утилизации
или переработки влажных отходов фильтра.
Эксплуатационные данные
Очистка отобранных газов обычно осуществляется с помощью фильтров.
Ежедневное среднее значение выбросов пыли значительно ниже 10 мг/нм³.
Эксплуатационные данные представлены в 3.2.8.1.
В таблице 8.43 представлены эксплуатационные данные по немецкому заводу по
производству чугуна, на котором установлена централизованная система отбора
отходящего газа, с системой обеспыливания, использующей рукавный фильтр.
Система собирает отработанный газ от различных участков литейного завода,
включая: четыре индукционных электропечи, зона хранения отходов и
предварительного подогрева, цех подготовки металла, цех регенерации песка и цех
отливки. Данные представлены для отходящего потока газов в процессе отливки в
сырую формовочную смесь, содержащего загрязненный газ и очищенный газ.
Таблица 8.43 - Данные по выбросам завода по производству литейного
чугуна, использующего индукционную плавку и централизованную систему
вытяжной вентиляции с рукавным фильтром [92]
Состав
Газ
плавки
89,3
1,6
2,2
3,5
21,8
после
Комбинированный
отработанный газ
237
8,3
4,2
3,9
34,7
Очищенный газ*
Пыль
<1
NOx
7,9
CO
3,8
SO2
3,7
Полное
34,9
содержание C
PCDD/-F
0,036 x 10-6
0,0027 x 10-6
* NOx, CO, SO2 и C не улавливаются в рукавном фильтре. Разница между
загрязненным и очищенным газами обусловлена небольшим изменением состава
газ после вентиляции
Мощность плавки составляет 14 тонн/час, полный поток отходящего газа 240000
м³/час
Все данные даны в Мг/нм³
Применимость
Эта метод применяется на всех новых и существующих установках,
использующих индукционные электропечи, на сталелитейных заводах и на заводах
по производству цветных металлов.
Экономические показатели
В таблице 8.44 представлены данные по затратам и потреблению для установок,
использующих рукавные фильтры для фильтрации отходящих газов плавильного
цеха, использующего тигельные индукционные электропечи, скорость плавки 15
т/час, способных переработать 120000 Нм3/час.
287
П-ООС 17.02-02-2012
Таблица 8.44 - Инвестиционные затраты и потребление энергии блока
рукавных фильтров на индукционных электропечах, с данными по изменению
уровня конечных выбросов пыли, Португалия, 2003 г. [3]
Уровень загрязнения
отходящих газах
(Мг/нм³)
<5
<20
в
Инвестиционные
затраты
Потребление энергии
(кВтчас)
(ЕВРО)
350000
200000
250
150
Движущие силы внедрения
Ограничение выбросов пыли, образующейся при плавлении металлов.
Примеры заводов
Очистка отходящего газа применяется на большинстве сталелитейных заводов,
использующих индукционные электропечи и на ограниченном числе литейных
заводов по производству цветных металлов.
Справочная литература [92], [1], [88]
8.5.5 Роторная печь
8.5.5.1 Удаление отходящего газа и его очистка
Описание
В большинстве случаев, чтобы соответствовать действующим нормативным
требованиям, необходима установка оборудования для обеспыливания. Обычно, с
этой целью устанавливаются рукавные фильтры, но также технически возможно
использовать мокрый метод обеспыливания.
Чтобы снизить температуру отходящих газов, они разбавляются воздухом. Этот
промежуток существует всегда, так как он допускает вращение и наклон печи. Часто
выпускная труба является съемной. Обычно, разбавление для снижения выбросов
недопустимо. Если разбавление используется для охлаждения, то в конечной
технологии необходимо учитывать соответствующие параметры увеличенного
потока газа. Иногда разбавленные отходящие газы подаются через теплообменник
для дальнейшего охлаждения. При использовании этого метода температура газа
уменьшается от начальной, 1500 ºC, до 200 ºC или ниже. При такой температуре
газы могут подаваться в зону рукавного фильтра для обеспыливания.
Использование системы дожигания позволяет уменьшить содержание
органических соединений и горючих частиц. Эта метод также может быть
эффективным для уменьшения риска формирования диоксина после охлаждения
газов. Камера дожигания устанавливается после печи, но перед теплообменником.
Может использоваться один из следующих типов камеры дожигания:
- тепловая установка для сжигания отходов: сгорание в открытом пламени
- каталитическая установка для сжигания отходов: сгорание происходит при
более низких температурах с помощью катализатора, что повышает эффективность
процесса и уменьшает выбросы NOx
- рекуперативная установка для сжигания отходов: сгорание происходит с
рекуперацией тепловой энергии, используемой для предварительного подогрева
воздух для горения, что дает более высокий термический КПД и более низкий
расход топлива
- каталитическая рекуперативная установка для сжигания отходов: комбинация
предыдущих двух типов.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение выбросов микрочастиц от роторных печей.
288
П-ООС 17.02-02-2012
Воздействие на различные среды
Очистка отходящего газа увеличивает расход энергии. При фильтрации
отходящего газа образуется пыль, требующая утилизации или переработки.
Эксплуатационные данные
Эксплуатационные данные по выбросам представлены в 3.2.5.3.
Можно ожидать, что камера дожигания достигнет эффективности от 80 % до 98
% при сжигании горючих микрочастиц, испускаемых из роторной печи. Горячие газы,
выходящие из камеры дожигания, могут подаваться на рекуператор и могут помочь в
предварительном подогреве воздуха, необходимого для главной горелки печи.
Рекуператоры позволяют экономить до 15% энергии.
Применимость
Эта технология используется на всех новых и существующих установках,
использующих роторные печи, как в сталелитейной промышленности, так и при
производстве цветных металлов
Движущие силы внедрения
Ограничение количества выбросов пыли, образующейся при плавке металлов.
Примеры заводов
Эта технология обычно применяется на литейных заводах, использующих
роторные печи.
Справочная литература [54], [1], [48], [7]
8.5.6 Тигельные и подовые печи
8.5.6.1 Уменьшение выбросов во время плавки и подготовки металла
Описание
В нормальных режимах эксплуатации при процессе плавки не выделяется
видимый дым. Однако, во время загрузки печи, возможно образование видимого
дыма. Это может быть обусловлено либо горением загрязняющих примесей,
содержащихся в шихте, например, нефтепродуктов или краски, либо вследствие
угасания пламени горелки и несгоревшего топлива, что характерно для твердого или
жидкого топлива. В таких случаях может быть установлена камера дожигания.
При плавке чистого лома эти типы выбросов отсутствуют или сведены к
минимуму.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение выбросов в окружающую среду продуктов неполного сгорания.
Воздействие на различные среды
Удаление дыма требует использования электроэнергии.
Применимость
Эта технология используется на новых и существующих тигельных и подовых
печах.
При внедрении этой технологии необходимо учитывать все ограничения,
обусловленные текущей конструкции печи и ее работой. Сюда включаются
физические ограничения, например, обусловленные наличием подкрановых путей,
существующие элементы конструкции здания, или относящиеся непосредственно к
печи. Для эффективной работы, система вентиляции должна быть настроена таким
образом, чтобы ее движение происходило одновременно с перемещением самой
печи при ее наклоне для разлива, так как выпуск плавки является одной из пиковых
операций по части выбросов. Могут также возникнуть физические проблемы,
связанные с расположением связанной системы трубопроводов. В некоторых
случаях, могут понадобиться большие конструкционные изменения платформы печи
и окружающей зоны для установки трубопроводной системы.
Экономические показатели
289
П-ООС 17.02-02-2012
В таблице 8.45 представлены финансовые данные для ‘среднего литейного
завода’ с затратами, оцениваемыми при предполагаемой 10-летней работе
оборудования для отбора газа и уменьшения выбросов. Однако, эта оценка, может
измениться в широких пределах, в зависимости от расположения литейного завода и
используемых технологий.
Таблица 8.45 - Оценка затрат производства по установке системы
уменьшения видимых дымов, образующихся во время загрузки и выпуска
плавки [15]
Ск
Производит
Затраты, ЕВРО
Потребл
Затраты в ЕВРО/тонну
оель-ность,
ение
выплавленного чугуна
рость тонны/час
Капит
Гражд энергии
Раб
Финанс
Об
откачкВт
аль-ные анс-кие
очие
овые
щие
ки
м³/ми
н
14
0,5
11757
15676
40
15,2
18,81
34,
2
3
4
05
(1150 тонн
в год)
Примечание:
- Гражданские затраты рассчитаны как 12 % от капитальных затрат
- Эксплуатационные расходы основаны на обслуживании и затратах на
утилизацию отходов и эквивалентны 10 % капитальных затрат и соответствуют
мощности как 0,06 ЕВРО /кВтчас
- Финансовые затраты рассчитаны для завода, амортизационный срок которого
составляет более десяти лет с процентными платежами 10 %
В этом примере, при заданных условиях, затраты по уменьшению видимых
выбросов составили бы приблизительно 34,05 ЕВРО на тонну расплавленного
металла.
Движущие силы внедрения
Ограничение видимых выбросов.
Примеры заводов
Эта технология обычно применяется на литейных заводах по всей Европе.
Справочная литература [15]
8.5.7 Обработка металла
8.5.7.1 AOD конвертер: улавливание и очистка отходящих газов
Описание
Оборудование по контролю выбросов загрязняющих веществ необходимо
разрабатывать с учетом того, что максимально возможное их количество может
быть выброшено в течение относительно короткого периода времени.
Такое оборудование представлено большим разнообразием форм и размеров.
Альтернативой прямым вытяжным системам служат системы с применением навеса.
Навесы применяют в таких процессах, как загрузка и выгрузка сырья и материалов.
Навесы также могут применяться в сочетании с оборудованием, формирующим
направление потока выбросов. Данное оборудование выполняет несколько функций,
включая формирование потока выбросов, уменьшение размера потока выбросов,
защиту оборудования и персонала от интенсивного пламени. Основным
290
П-ООС 17.02-02-2012
преимуществом навеса является предотвращение выбросов как от процессов, так и
от неорганизованных источников.
Экологические эффекты от внедрения метода
Улавливание дымовых газов позволяет контролировать их удаление и очистку, и
приводит к минимизации организованных и неорганизованных выбросов.
Воздействие на различные среды
Очистка отходящих газов увеличивает потребление энергии. Улавливание пыли
способствует сбору пыли для повторного использования.
Применимость
Данный метод применим ко всем новым и существующим установкам.
Движущие силы внедрения
Требования по ограничению выбросов пыли при литье металлов.
Примеры заводов
Заводы имеются в Италии и Финляндии.
Справочная литература [202, TWG, 2002]
8.5.7.2 Nodularisation: удаление и очистка отходящих газов
Описание
Выбор оборудования для удаления отходящих газов осуществляется в
зависимости от метода, используемого для nodularisation (см. 2.4.12.4). В
зависимости от применяемого метода может быть удалено значительное количество
MgO в виде белого дыма. Соответствующие методы приведены в таблице 3.20. В
целом применение методов с более высокой эффективностью приводит к снижению
выбросов. Это относится к процессу формования, где во время заливки происходит
nodularisation.
При nodularisation в тигле использование крышки приводит к значительному
сокращению выбросов.
Если отходящие газы не улавливаются, это может привести к заполнению
плавильного цеха белым дымом и оседанию MgO. Если отходящие газы не
очищаются это может привести к видимым выбросам от литейного производства.
Большой объем видимых твердых частиц могут быть выброшены в относительно
короткий период времени, но обычно данный период длится от 5 до 10 минут для
каждой партии сырья.
Удаление MgO затруднено тем, что газы очень горячие и интенсивная реакция с
Mg вызывает искры. Из-за высокой скорости и температуры большое количество
отходящих газов должны быть также удалено. Это требует больших размеров, а
также высокой стоимости установки.
Очистка отходящих газов с помощью сухих методов фильтрации (с
использованием рукавных фильтров) приводит к образованию порошка MgO,
который может быть повторно использован в качестве пигмента или для
производства огнеупорных материалов.
Экологические эффекты от внедрения метода
Mg не оказывает вредного воздействия на окружающую среду и в небольших
концентрациях является важным питательным веществом для животных и растений.
В Великобритании предельные нормы долгосрочного воздействия (8-часового) – 4
мг/м³ для пыли MgO и вдыхаемого дыма (в пересчете на Mg).
Воздействие на различные среды
Улавливание оксида магния требует более высоких энергозатрат и,
следовательно, приводит к увеличению выбросов в результате производства
энергии. Повторное использование порошка MgO приводит к уменьшению
необходимости в первичном материале.
Эксплуатационные данные
291
П-ООС 17.02-02-2012
Типичная доля магния в расплаве составляет около 0,1% в пересчете на магний
(фактическое содержание магния в сплаве, таких как магний ферросилиций, может
составить до 2% в зависимости от используемого сплава ).
Это дополнение обеспечивает около 0,05% магния в расплаве, большинство
остальных включений окисляется и выделяется в атмосферный воздух в качестве
MgO. Там, где нет удаления дыма, отходящие загрязняющие вещества могут
выпасть в литейном цехе в виде пыли. Точная информация о данном количестве
выбросов отсутствует, но значение может составлять 50% от объема отходящих
газов. Таким образом, на каждую тонну переработанного металла около 500 г магния
будет удалено в атмосферный воздух в виде MgO (т.е. 833 г MgO на тонну
переработанного металла).
Применимость
Удаление и очистка отходящих газов применяется для использования в
литейном производстве при применении метода в тигле. Информации о
применимости в методе формования и других отсутствует.
Экономические характеристики
При применении данного метода для эффективного удаления большей части
выбросов MgO при переработке металлов мощность ковша составит около 280
м³/мин. Затраты на оборудование и его установку составят около 180 тысяч евро.
В следующей таблице представлены данные для среднестатистического
литейного производства с затратами с учетом амортизации в течение 10-летнего
срока службы оборудования.
Таблица 4.46: Расчет стоимости сокращения выбросов MgO
[161, Великобритания, Агентство по окружающей среде, 2002]
Уровень
экстракции
m³/min
Производительность
тонны/час
280
0.5
(1000 тонн в
год)
Затраты EUR
Капитальные
180280
На строительство
23514
Мощность
kW
50
Затраты Евро/тонну
переработанной стали
текущие
ФинанОбщие
совый
21.95
29.35
51.30
Примечание:
Затраты на строительство принимаются на уровне 15% от капитальных затрат. Текущие
затраты включают затраты на техническое обслуживание, обращение с отходами равны 10%
от капитальных затрат и мощности (EUR 0.06/kWh). Финансовые затраты равны
амортизационным отчислениям в течение десяти лет и составляют 10%.
Расходы на сокращение выбросов оксида магния оцениваются примерно в 51,30
евро за тонну переработанного металла.
Стимулы для применения
Требования, ограничивающие видимые выбросы и выбросы на рабочих местах.
Примеры заводов
- Römheld & Moelle - Майнц (D)
- Fuchosa - Atxondo (E).
Справочная литература
[161, Великобритания, Агентство по окружающей среде, 2002], [110, Vito, 2001]
8.5.7.2 Улавливание отходящей пыли от процессов литья и очистки газов
8.5.8 Изготовление литейных форм и стержней
8.5.8.1 Удаление пыли в процессе подготовки сырой формовочной смеси
Описание
292
П-ООС 17.02-02-2012
Существенное образование пыли вызывают только несколько стадий подготовки
сырой формовочной смеси, а именно, просеивание, стадии обеспыливания и
охлаждения. Эти стадии оборудованы системами удаления пыли. Эти
производственные блоки имеют ограждение и связаны с централизованной
системой обеспыливания. При монтаже системы обеспыливания необходимо
учитывать точку росы выходящего воздуха и тип пыли.
Воздух, выходящий из цеха подготовки сырой формовочной смеси, насыщен
порами воды. Поэтому, мокрые системы (часто с низким рабочим давлением)
оказываются самыми лучшими для удаления отходящего воздуха. Однако мокрые
системы широко заменяются сухими системами фильтрации пыли. Последние
имеют преимущество, так как часть пыли может быть повторно использована, и в
этих системах отсутствуют сточные воды. Кроме того, мокрые системы имеют
склонность к внутренней коррозии и осаждению на стенках продуктов окисления и
пыли. Влажная сепарация примесей выходящего воздуха может привести к
проблемам, связанным с очисткой сточных вод. Пыль содержит бентонит, который
трудно нейтрализовать из-за его антиседиментационных свойств. [3]
При использовании тканевых фильтров, необходимо учитывать проблемы,
возникающие при конденсации. Конденсация может вызвать осаждение пыли,
засорения и разрывы в фильтрах. Добавление к песку охлаждающей воды должно
осуществляться контролируемым образом, чтобы минимизировать образование
пара. Точка росы воздушного потока может быть увеличена путем его подогрева
газовыми горелками.
Одним из преимуществ является то, что собранная пыль сухая и таким образом
может легко транспортироваться. После разделения по размерам, грубая фракция и
часть мелкой фракции могут быть повторно использованы при подготовке
формовочной смеси.
Экологические эффекты от внедрения метода
Снижение выбросов пыли в атмосферный воздух.
Воздействие на различные среды
Использование влажных систем очистки вызывает появления потока сточных
вод. В связи с этим появляется необходимость в их обработке и утилизации осадков.
Некоторые системы работаю