Стружка является нормируемым отходом работы машиностроительных и металлообрабатывающих предприятий. В Республике Беларусь ежегодно образуется около 200 тыс. т стальной и чугунной стружки. Основная часть ее экспортируется. Руководством Министерства промышленности Белоруссии была поставлена задача максимального использования этого ценного сырья внутри страны. Основной потребитель металлошихты — «Белорусский металлургический завод» — стружку практически не применяет, считая это экономически неоправданным. Проведенные на заводе исследования выявили значительный до (30-50%) угар стружки и ухудшение технических показателей работы сталеплавильных дуговых печей. Брикетирование стружки не решает проблему ее использования. Экономические показатели работы плавильных агрегатов при применении брикета из стружки мало чем отличаются от плавления стружки насыпью. Брикетирование в основном преследует цель улучшить условия транспортировки и погрузки стружки и частично снижает содержание масла и эмульсии в шихте. Проблематичной является переработка легированной стружки, которая плохо сортируется и вносит в плавку нежелательные химические элементы. Использование стружки в вагранках и ДСП малой мощности также невыгодно.

Известны экономически обоснованные решения, когда несортированные легированные металлоотходы переплавляются в плавильных печах с массой жидкой стали 3-10 т в товарные слитки для последующего переплава. В этом случае сталь разливается в передельные слитки, стандартизированные по размеру и химическому составу. Это экономически оправданно для сталей с содержанием легирующих элементов хрома, марганца, никеля, молибдена и титана в количестве 10% и более по каждому элементу. Производство шихтовых слитков из углеродистой и низколегированной стружки экономически не оправданно.

В Европе стальная и чугунная стружка в больших объемах переплавляется в среднечастотных индукционных печах «ОТТО JUNKER». Кроме того, стальная стружка брикетируется и отправляется на металлургические заводы. На плавку в электродуговой печи дают до 5% брикетов. Там это считают оправданным, т. к. в состав брикета входит 25-50% абразивного шлама. Для Европы это один из способов утилизации вредных отходов производства [1].

В этой статье сделано обоснование возможности переработки стружки на металлургических мини-заводах. Практика создания литейно-прокатных агрегатов (ЛПА) в России, в основном по разработкам ВНИИМЕТМАША, свидетельствует о возможности создания таких производств и в Белоруссии. Десятки подобных заводов построены в последние годы в Южной Америке и Европе, однако кроме упоминаний об этом в открытой печати никакой информации нет.

Наряду с предложениями по созданию микропроизводства для выпуска катанки и строительной арматуры предлагается вариант завода по изготовлению помольных шаров. Сырьем может служить стружка подшипниковой стали ШХ15СГ. Это отходы производства Минского подшипникового завода в объеме 8-9 тыс. т в год. Стружка является ценным металлургическим сырьем, т. к. содержит марганец в пределах 0,9-1,2%, хром — 1,3-1,65%, углерод — 0,9-1,05%. Проблема эффективной утилизации такой стружки не решена до сих пор. Были попытки брикетировать ее в нагретом до 800-850оС состоянии. Предполагалось, что брикеты будут использоваться при выплавке хромсодержащей стали на РУП «Белорусский металлургический завод». Была произведена партия брикетов около 90 т, которые применялись при шихтовке плавок. В результате исследований установлено, что в процессе расплавления шихты хром и марганец окисляются почти на 50% и переходят в шлак. Затраты на горячее брикетирование стружки не покрывают эффект от использования содержащихся в стружке легирующих элементов.

Таблица 1. Группы шаров

 
Республика Беларусь в значительной мере сама себя обеспечивает нужным ассортиментом металла, но некоторые позиции остаются импортируемыми. К ним относятся и шары для помола.

Рисунок 1. Стальные катаные шары для помола

Многие отрасли потребляют помольные шары диаметром от 20 до 150 мм. Наиболее востребованы шары диаметром 60-90 мм. Они необходимы при дроблении различных руд, применяются при выпуске цемента, минеральных удобрений. Большое количество шаров потребляется при дроблении угля для угольных теплоэлектростанций, которые работают на вдуваемой в топку угольной пыли.

Сегодня в мире производится около 3 млн. т металлических шаров. СНГ потребляет 18% — около 475 тыс. т [2]. Различают литые чугунные и катаные стальные шары. Чугунные шары для обеспечения требуемой твердости легируются хромом до 13-23%. Стоимость таких шаров превышает 1,1 тыс. евро за тонну на условиях EXW. Мировой лидер по выпуску этой продукции — бельгийская фирма «Magotteaux». Сквозная твердость шара этой фирмы очень высокая, в пределах 62-64 HRC. Литые чугунные шары, производимые в СНГ, значительно уступают по качеству, обеспечивая твердость 45-52 HRC.

Стальные шары также делят на 2 класса. Первый класс — изделия высокого качества с твердостью на поверхности не ниже 62 HRC и 60 HRC в центре шара. Их изготавливают из высокоуглеродистой стали, легированной хромом до 1%. Твердость обеспечивается режимом закалки и термообработки. Основной производитель шаров высокого качества — южноафриканская компания «Scow Metals». Она выпускает около 600 тыс. т шаров в год. Их стоимость — 800 долл. за тонну на условиях EXW.

В Республике Беларусь катаные шары не выпускают. Основные производители в СНГ: Нижнетагильский МК — 33%, Новокузнецкий МК — 19%, Гурьевский МЗ — 23%, а также ЗАО «Кронтиф», который изготавливает 7% литых чугунных шаров. Остальные 18% производимых в СНГ шаров приходятся на 12 металлургических предприятий. Изделия выпускают по ГОСТ 7524-89 «Шары стальные мелющие для шаровых мельниц» и имеют значительно более низкий класс качества по сравнению с лучшими мировыми показателями. На многих предприятиях СНГ шары производят как попутную продукцию. ГОСТ 7524-89 для выпуска шаров предусматривает использование отбраковки от металла рельсового производства. Шары по твердости подразделяют на 4 группы, представленные в таблице 1.

Шары групп 1 и 2 изготавливают из углеродистой, низколегированной и легированной конструкционной стали. Массовая доля углерода для шаров диаметром 15-60 мм должна быть не менее 0,40%, для шаров диаметром 70-120 мм — не менее 0,7%. На низколегированных и легированных конструкционных сталях нормируется углеродный эквивалент, который должен составлять соответственно 0,50% и 0,70%. Углеродный эквивалент в процентах определяется по различным формулам в зависимости от находящихся в стали химических элементов. Например, для сталей, содержащих кроме углерода кремний (Si), марганец (Мп) и хром (Сг), формула имеет вид:

C3KB=C+Mn/6+Si/24+Cr/5+ Ni/40+Cu/40+V/14.

Как правило, эти стали содержат также никель (Ni), медь (Си) и ванадий (V), влияющие на прокаливаемость, но их влияние на твердость незначительно. Шары группы 3 изготавливают по ГОСТ 24182 из рельсовой стали. Шары группы 4 производят из инструментальной легированной стали типа X и ХГС по ГОСТ 5950 при условии обеспечения требуемой твердости.

Мелющие шары — необходимый материал в технологии помола в шаровых мельницах барабанного типа. Недостатки работы — высокий расход электроэнергии (до 20 кВт∙ч/т) и износ мелющих шаров (в пределах 0,5-2 кг на тонну готового помола). Экономичность работы мельниц во многом зависит от качества шаров. Закаленные шары имеют относительно небольшую прокаливаемость. Толщина закаленного мартенситного слоя с твердостью 43-55 HRC всего 10-15 мм. После того как этот слой стирается, начинается очень быстрый износ шара, поэтому при дополнительной загрузке новых шаров в мельнице всегда преобладают шары крупного размера. Доля шаров мелкого и среднего диаметра с оптимальным соотношением площади поверхности и массы шара очень мала. В результате растет энергопотребление и снижается производительность мельницы.

Таблица 2. Характеристики основного оборудования

 

В настоящее время существует несколько вариантов дробления и помола материалов, но, по оценке специалистов, в ближайшие 25 лет альтернативы барабанным шаровым мельницам не будет.

Технология производства катаных шаров принадлежит академику А.И. Целикову, который разработал стан поперечно-винтовой прокатки (рисунки 2 и 3). Сегодня в мире этим способом производится около 66% шаров. «Узкое» место при выпуске отечественных помольных шаров — их термообработка. Непосредственно после прокатки изделия подвергаются закалке. Толщина закаленного мартенситного слоя не превышает 15 мм, и твердость существенно падает к центру шара. Попытки повысить интенсивность закалки приводят к перекалке шара, в результате он раскалывается. Как вариант возможна двухстадийная закалка в 2 закалочных барабанах с последующим вылеживанием в специальных термосах. Такая технология используется на Гурьевском металлургическом заводе. Это предприятие практически единственное, которое производит шары диаметром до 100 мм с регламентируемой твердостью по сечению 4 группы прочности.

Сколько сегодня Республика Беларусь импортирует помольных шаров? Даже не запрашивая данных таможни, можно взять 1,5-2% от всего цемента, удобрений, угля, песка, что дробится и мелется в шаровых мельницах, и цифра получится внушительная.

Сегодня в Республике Беларусь есть все предпосылки для организации производства помольных шаров: возрастающая потребность, наличие сырьевых ресурсов, высокая квалификация специалистов — разработчиков технологии.

В 2006 г. НАН Белоруссии [3, 4] разработала концепцию строительства микро-завода, который сможет производить готовый прокат требуемого сортамента, используя в основном отходы производства — стружку (рисунок 4).

Как один из вариантов был предложен литейно-прокатный комплекс с объемом производства жидкой стали 90-95 тыс. т в год (рисунок 5).

Теоретически объем выпуска при загрузке оборудования прокатных станов на 74% (6000 час.) может составить 108 тыс. т. Фактически загрузка оборудования на этом ли-тейно-прокатном комплексе составит около 40%. При этом будет произведено 50 тыс. т мерного проката дефицитного сортамента — сортовых кругов малых диаметров. Следует учесть, что стали, легированные хромом, марганцем и кремнием, в большинстве своем являются сталями с повышенным образованием трещин, а в некоторых, типа стали 40Х, могут появляться флокены. Поэтому, наряду с необходимыми технологическими мерами по обеспечению требуемой макро- и микроструктуры нужно предусмотреть минимальную термическую обработку: замедленное охлаждение, отпуск. Можно пойти по другому пути — на том же оборудовании производить полосу и квадрат, который не требует высокого качества макроструктуры и используется для изготовления декоративных решеток, ограждений, различных закладных элементов и т. д.

Технические характеристики основного технологического оборудования представлены в таблице 2. На рисунке 5 показана схема производства и планировка цеха.

Выбор индукционной печи в качестве плавильного агрегата по сравнению с распространенной электродуговой печью обоснован. Удельный расход электроэнергии на электродуговых печах малой мощности сопоставим с расходом электроэнергии на современной средне-частотной индукционной печи. В качестве такого плавильного агрегата можно рекомендовать индукционные печи «ОТТО JUNKER» по следующим причинам:

• печи могут работать на стружке, обеспечивая ее минимальный угар;
• углерод и легирующие элементы — марганец, кремний, хром — практически не окисляются;
• печи работают с минимальными газо- и пылевыделениями;
• низкий уровень шума;
  • нет затрат на графитовые электроды;
  • обеспечивается более равномерная нагрузка на электрическую сеть;
  • значительно меньшие габариты установки;
  • высокая степень автоматизации и управления плавкой.

Печь производит расплав, но, т. к. нет окислительного периода и процесса рафинирования, то обеспечение требуемого химсостава и удаление газов и неметаллических включений в шлак происходит в ста-леразливочном ковше и на агрегате комплексной обработки стали. В этом случае марочный состав сталей можно значительно расширить до легированных, которые используются в машиностроении.

Разливочная машина также имеет свои особенности. У горизонтальной УНРС конструкции ВНИИМЕТ-МАШа малая строительная высота (1,75 м по верху металлоприемни-ка). Разливочная машина производительностью 10-12 т/ч также имеет особенности. В сочетании с прокатными клетями весь комплекс очень компактен и может размещаться в цехе с небольшой высотой подкрановых путей — 8.5 м.

После УНРС заготовки режут газокислородным резаком на мерные длины 3-6 м. Товарные заготовки со стороной 80-125 мм охлаждают на холодильнике и отгружают потребителю. Заготовка для переката направляется в нагревательную печь толкательного типа. Кроме нагрева заготовки печь выполняет также функцию буфера. Нагретая заготовка выдается из печи в темпе загрузки стана ради-ально-сдвиговой прокатки: 30-35 секунд. Диаметр проката — 47-70 мм. Этот прокат направляется или в шаропрокатный стан для изготовления стальных шаров диаметром 50-60 мм. или в группу трех-валковых клетей, в которых подкат прокатывается до диаметра 18-57 мм. Охлаждаются шары в закалочном баке с водой, прутковый прокат охлаждается на холодильнике по мере перемещения готового проката до карманов, где требуемое количество прутков увязывается в пачки.

Сегодня выполнена техническая и экономическая проработка этого проекта. Есть базовый проект и предложение на изготовление оборудования, включая автоматику, до 10 евро за кг. Наиболее дорогая часть ЛПК - индукционная печь стоимостью 2,8 млн. евро с учетом таможенных пошлин. Разумеется, необходимо выполнить НИОКР по отработке технологических режимов комплексной обработки стали, нагрева и деформации заготовок.

Менее проработана технология объемной закалки и дальнейшей термообработки готовых шаров с учетом разных диаметров и оптимального содержания углерода и хрома в стали. Эта работа может быть выполнена силами белорусских ученых.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стеблов А.Б., Герман М.Л. Переработка стружки черных металлов // Рынок вторичных металлов, 2007. № 1/39. С.46-49.

2. Зутлер И. Краеугольный шар экономики // Металлоснабжение и сбыт. — 2006. № 5. С. 50-55.

3. Тимошпольский В.И.. Стеблов А.Б., Грибановский Н.Г. Инновационные особенности металлургических микрозаводов // Наука и инновации. — 2004, № 11. С. 42-49.

4. Тимошпольский В.И., Герман МЛ., Стеблова Э.А., Якутович Н.В. Анализ потенциальных направлений промышленной переработки стружки черных металлов в Республике Беларусь // Литье и металлургия. — 2006, № 2, часть 2. С. 23-26.