Читать онлайн Сборник авторских инженерно-технических идей и решений в области металлургии

Введение

Металлургия как основа промышленного производства находится в центре технологического развития во всех отраслях – от тяжёлого машиностроения до высокотехнологичных направлений, таких как авиакосмическая, энергетическая и оборонная промышленность. Современные металлургические предприятия сталкиваются с необходимостью повышения эффективности, снижения ресурсо- и энергоёмкости, минимизации экологических рисков и обеспечения технологического суверенитета в условиях возрастающих требований к устойчивому и импортонезависимому производству.

В этих условиях ключевую роль начинают играть не только масштабные технологические реформы, но и компактные, адаптивные и инженерно изобретательные решения, способные дать реальный эффект без остановки производственных линий и значительных капитальных вложений. Именно такие идеи становятся ядром настоящего сборника.

Настоящий сборник представляет собой тематически организованную коллекцию авторских инженерно-технических решений, направленных на повышение производственной эффективности, сокращение потерь металла, снижение выбросов, комплексную переработку отходов металлургии, вторичное использование технологической энергии и оптимизацию теплотехнических процессов. Многие разработки базируются на переосмыслении фундаментальных физических процессов, таких как пиролиз, алюмотермия, диффузионное восстановление, капельное горение и высокотемпературный синтез.

Особенность сборника – практическая направленность. Все идеи ориентированы на реализацию в реальных условиях цехового производства, с применением существующей инфраструктуры и стандартной элементной базы. Разработки предназначены для широкого круга специалистов: от инженеров и технологов до исследователей, конструкторов и руководителей цехов.

Сборник может стать не только источником технических решений для конкретных задач, но и платформой для генерации новых направлений НИОКР, патентных исследований и проектирования, соответствующих духу времени – высокоэффективной, экологичной и рациональной металлургии нового поколения.

1. Способ повышения стойкости наконечников кислородных фурм литейного производства

Одним из главных условий обеспечения высокой стойкости фурменных наконечников является организация их эффективного охлаждения. Указанному вопросу посвящено большое количество публикаций как отечественных, так и зарубежных исследователей. Плотность лучистого теплового потока от реакционной зоны на наконечник не превышает 1,5 МВт/м2, однако за счет попадания брызг металла суммарная плотность теплового потока по данным может достигать 8 МВт/м2.

При высокой плотности теплового потока возможно вскипание охлаждающей воды на поверхности нагрева даже при условии ее вынужденного движения.

Таким образом при температурах выше 150  C обычная вода вскипает, особенно в зонах высокой тепловой нагрузки (до 8 МВт/м²), что резко снижает эффективность охлаждения. При этом увеличить скорость подачи также невозможно из-за ограничений насоса и трубопроводной системы.

Предлагаемое решение

Использование вместо обычной воды водные растворы солей, обладающих повышенной температурой кипения (до 200 300  C и более), приемлемой теплоёмкостью и низкой коррозионной активностью, и способностью к минимальному «высаливанию».

Таким образом на первый план выходят водные растворы солей, у которых отличны от воды показатели удельной теплоёмкости и температур кипения. При подведении тепла извне, не все растворы солей одинаково реагируют на тепловую энергию и нагреваются по-разному, тем более переходят в фазу кипения.

При этом “соляные” теплоносители уже давно используются при относительно малых перепадах температур в системах отопления жилья и т.п.

Скептики скажут, что водные растворы солей интенсивно вызывают коррозию оборудования. Им свойственно «высаливание» стенок труб и теплообменников. Так оно и есть, только существуют соляные растворы, которые не вступают в реакцию со стальными трубами и не создают соляных отложений.

Нужно использовать в теплообменном цикле охлаждения наконечника фурмы водный раствор соли которую нужно определить, как оптимальную для теплового баланса конкретного случая по табличным значениям температур кипения соляных растворов с учётом их “коррозионности” и “высаливания” согласно таблицы

Например, известно, что водные растворы гидроксида натрия или калия в зависимости от концентрации имеют температуру кипения до 200 градусов). Не вызывают коррозию оборудования и имеют почти сравнимую удельную теплоёмкость с технической водой. Существуют также соляные растворы с температурами кипения до 300 градусов.

Преимущества предлагаемого подхода

1. Без изменений конструкции: Не требует модификаций оборудования.

2. Повышение эффективности охлаждения: За счёт более высокой температуры кипения солевого раствора предотвращается образование паровых пробок на поверхности наконечника.

3. Потенциальное увеличение срока службы наконечников в 1,5 2 раза и более при корректной настройке состава теплоносителя.

4. Простота реализации: Введение солей возможно поэтапно с постепенной корректировкой концентрации.

Рекомендуемая методология внедрения

1. Теоретическое моделирование теплового баланса наконечника при различных типах солевых растворов (на основе табличных физико-химических данных).

2. Лабораторные испытания по коррозионной стойкости материалов и высаливанию.

3. Промышленный эксперимент:

– Начать с малого процента добавки выбранной соли;

– Оценить теплоотвод и изменение состояния наконечника через определённое количество плавок;

– Постепенно увеличивать концентрацию, фиксируя возможные отклонения по коррозии, теплоотдаче и «засаленности» схемы;

4. Сбор статистических данных, составление графиков зависимости «концентрация соли – срок службы наконечника – коррозия».

Вывод

Предложенный вами метод представляет собой экономически эффективную и технологически выполнимую альтернативу затратной модернизации оборудования. При соблюдении технологической дисциплины и грамотном подборе раствора соли можно добиться многократного увеличения ресурса медных наконечников фурм. Аналогичные технологии используются, например, в солнечных тепловых установках и аккумулирующих системах, что подтверждает их практическую применимость. Успех в деталях: требуется тщательная проработка и постепенное внедрение с обязательным контролем химической и эксплуатационной стабильности системы.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2. Способ изоляции расплава металла от воздуха при помощи вязко пластичного стекла

Способ исключения образования изгари на поверхности расплава металла заключается в применении покрытия поверхности расплава слоем легкоплавкого стекла, находящегося в вязкопластическом состоянии при температуре расплава. Стекло полностью перекрывает контакт металла с воздухом, тем самым предотвращая окисление и образование изгари, характерной для открытых поверхностей расплава свинца или цинка.

Технология

Технологию рассмотрим на примере термической обработке стальной проволоки в расплаве цинка / свинца.

Технология основана на покрытии “зеркала” расплава цинка / свинца стеклом в вязкопластическом состоянии.

Температура вязкопластического состояния жидкого стекла должна соответствовать температуре жидкого металла в ванне термообработки.

Рис. № 1. Технология исключения образования изгари.

При термической обработке стальной проволоки в ванне с расплавленным свинцом на поверхности расплава образуется изгарь (окислы свинца). В случае горячего цинкования также на поверхности расплава образуется изгарь (окислы цинка). Происходит это из-за окисления открытой части расплава металла с воздухом. Это существенно влияет на расход металла.

Расход свинца при термообработке стальной проволоки идет с образованием изгари, т.к. выноса свинца из ванны с проволокой отсутствует.

Расход цинка при горячем цинковании стального листа идет как с образованием изгари, так и с выносом цинка из ванны на стальной полосе.

Рассмотрим пример защиты от образования изгари свинца. Технология минимизации образования изгари цинка аналогичная.

Чтобы хоть как-то снизить образование изгари свинца и сохранить тепло расплава в настоящее время при термообработке проволоки используется засыпка, так называемое “одеяло” толщиной не менее 50 мм. Всю поверхность расплава свинца засыпают порошком антрацита или аналога и периодически его добавляют при выгорании.

Здесь присутствует основной недостаток – “одеяло” периодически “выгорает”, что требует постоянного добавления антрацита, а также не обеспечивается полная герметизация поверхности расплава от воздуха, тем самым образуется изгарь (окислы свинца), которую периодически нужно убирать.

Температура расплава свинца при термической обработке проволоки поддерживается постоянной на определённом уровне диапазона 550-590 градусов.

Для заданного значения температуры свинца нужно экспериментальным путём определить точный химсостав оксидов состава стекла для его легко-вязкого состояния. Технология изготовления, состав оксидов для различных температур широко освещён в открытом доступе.

Пример химического состава легкоплавкого стекла заявлен в таблице

После установления точного химического состава оксидов необходимо сварить стекло и залить сверху расплава свинца с толщиной покрытия 5 мм.

Количество стекла для “одеяла” такой толщины достаточно просто рассчитывается.

Заявленный способ защиты расплава от кислорода воздуха легкоплавким вязким стеклом был испытан при подготовке алюминия для литья изделия авиационной направленности. Лом алюминия в тигле был засыпан мелкой крошкой легкоплавкого стекла от химических капиллярных трубок, которые плавились в пламени свечи. Температура плавления таких трубок – 600 градусов. Температура начала плавления алюминия 660 градусов. В результате на поверхности алюминия образовалась жидкая стеклянная масса, предотвращающая доступ кислорода для образования окиси.

Преимущества

– Полное исключение образования изгари (оксидов металла) за счёт герметизации поверхности расплава.

– Снижение потерь свинца или цинка за счёт уменьшения окислительных реакций.

– Отказ от засыпки (антрацита или других сыпучих материалов), что упрощает технологию.

– Повышение безопасности процесса (исключаются пожароопасные и вредные операции по удалению изгари).

– Устойчивость покрытия из стекла к температурному воздействию и отсутствию необходимости частой замены.

– Возможность масштабирования и применения во всех видах ванн с открытым расплавом свинца, цинка или других металлов.

Аналоги

Прототипом технологии является "флоат-процесс" производства листового стекла, в котором стеклянная масса формуется на расплавленном олове без доступа воздуха. В данном способе применён тот же принцип изоляции поверхности расплава плотным слоем другого материала (в данном случае – стекла), остающегося на поверхности за счёт различия плотностей.

Применение

– Термическая обработка стальной проволоки в свинцовых ваннах.

– Горячее цинкование стального листа.

– Любые процессы, где открытая поверхность расплавленного металла подвержена окислению.

Вывод

Предлагаемый способ представляет собой эффективное техническое решение, обеспечивающее герметичную защиту расплава металла от воздуха с использованием термостойкого стекла. Это существенно снижает производственные потери, упрощает технологический процесс и повышает его промышленную и экологическую безопасность.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

3. Способ восстановления металла из жидкого шлака с одновременной утилизацией отходов

Потери железа в сталелитейном процессе

Конвертерный шлак в среднем состоит из 10% металлического железа и 10% оксидов железа. При переработке шлака 10% металлического железа сепарируется существующими барабанными магнитными системами и возвращается в производство. Остальное желез безвозвратно теряются.

С учётом того, что удельный выход конвертерного шлака составляет около 150 кг на тонну стали – безвозвратные потери на каждую тонну произведённой стали составляют 10 кг металла.

Существующие технологии

Известно, что конвертерный шлак с температурой 1400-1600 градусов и средней плотностью жидкого состояния 3000 кг/м3 сливается на землю на шлаковом дворе, охлаждается. После охлаждения поступает на переработку.

Известна технология прямого восстановления железа оксидом углерода и водородом при температуре 800 градусов. В заявленном способе при температуре 1500 градусов происходят уже скоростные процессы прямого восстановления металла.

Известна технология пиролиза, как термическое разложение органических соединений при недостатке кислорода (древесины, нефтепродуктов и прочего) при температурах 750-800 С с выделением оксида углерода и водорода. В заявленном способе при температуре 1500 градусов происходит сверхвысокоскоростной процесс пиролиза с выделением на много большего количества оксида углерода и водорода.

Предложение

На основании выше изложенного предлагается совместить все поименованные выше три технологии в один технологический процесс, протекающий одновременно для всех.

Конечный результат – восстановление железа из оксидов железа и одновременная утилизация пиролизом любых твёрдых органических отходов остаточной энергией конвертерного шлака.

Предлагается конвертерный шлак выливать не на землю, а сверху на заранее подготовленный деревянный настил из твёрдых органических отходов, которые подлежат утилизации.

Рис. № 2. Технология восстановления металлов из оксидов сталеплавильного шлака.

Обязательное условие, это полное или почти полное покрытие утилизируемого настила сверху горячим шлаком. Так, как плотность деревянного настила меньше плотности шлака нужно предусмотреть временную фиксацию настила на земле в начальный момент слива шлака из чаши шлаковоза.

Упрощённый расчёт

При классическом пиролизе 1 м3 твёрдых органических отходов (древесины и т.п.) образуется в среднем 90 м3

неконденсирующихся газов. В состав пиролизных газов входят: CO: 30 50%, CO2: 18 38%, CH4: 1 20%, H2: 10 20%, углеродные примеси: около 1%. Таким образом 1м3 твёрдых органических отходов (древесины и т.п.) образует в среднем 60 м3 восстановительного газа – оксида углерода (II) + CH4. При сверхвысокоскоростном пиролизе образуется на много больше пиролизного газа.

Объем оксида углерода (II), который необходим для полного восстановления железа из 1 кг оксида железа (III), равен 420 литра (0,42 м3.)

Конвертерный шлак ориентировочно на 75% состоит из оксидов не металлов, таких как СаО, SiO2, Р2О5 и на 5% из корольков железа. Оксиды неметаллов не будут реагировать с CO, т.к. теплота образования СО недостаточно велика, чтобы превысить теплоту образования оксидов неметаллов. Оксиды других металлов для упрощения расчёта рассматривать не будем.

Для полного восстановления металла из оксидов шлака расчёт количества восстановителя – оксида углерода (II) нужно вести для 10% шлака. Из 150 кг шлака необходимо только 10% (15 кг) оставшихся оксидов подвергнуть восстановлению оксидом углерода (II), чтобы получить 10 кг железа. Для этого необходимо ориентировочно 6,3 м/3 восстановителя оксида углерода (II). С учётом п. 3. для восстановления 10 кг чистого железа необходимо 0,1 м/3 твёрдых органических отходов подвергнуть пиролизу (полным погружением без доступа воздуха) конвертерным шлаком с температурой 1500 градусов.

Способ теоретически позволяет восстанавливать не более 66 кг железа с каждой тонны конвертерного шлака объёмом 0,35 м/3 одновременной утилизацией не более 0,7 м/3 твёрдых органических отходов. Исходя из выше приведённого расчёта практически покрыть (укутать) 0,7 м/3 твёрдых органических отходов 0,35 м/3 шлака достаточно проблематично.

Теоретически невозможно учесть все особенности одновременного протекания пиролиза и восстановления металла из оксида дляразличный условий покрытия шлаком твёрдых отходов.

В приведённом расчёте не учтены аспекты сверхвысокоскоростного протекания процесса пиролиза, который в настоящее время до конца ещё не изучен, при котором выделяется на порядок больше пиролизного газа с 1 м/3 твёрдых органических отходов (древесины и т.п.).

Можно предположить следующее:

Способ позволит восстанавливать не более 66 кг железа с каждой тонны конвертерного шлака объёмом 0,35 м/3 одновременной утилизацией не более 0,07 м/3 твёрдых органических отходов, что практически уже реализуемо.

Исходя из выше изложенного для подтверждения или опровержения заявленного способа необходимы ОКР на действующем конвертерном производстве стали.

Опытно-конструкторские работы

Конвертерный шлак выливается на утилизируемый деревянный настил, закреплённый временно на земле в центральной части места разлива.

Температура шлака в 1500 градусов и полное отсутствие доступа воздуха к твёрдым органическим отходам, которыми заполнен настил – обеспечивает протекание внутри так называемого сверхскоростного пиролизного процесса. Органические отходы разлагаются с выделением оксида углерода и водорода.

В свою очередь оксид углерода и водород одновременно начинает восстанавливать железо из оксидов шлака. Происходит диффузия газов восстановителя через частицы, поры и трещины слоя остывающего и кристаллизующегося шлака и химическое превращение оксидов шлака в восстановленное железо.

Для заявленных целей заранее готовится для утилизации плоский прямоугольный деревянный настил из отходов. Внутрь настила добавляются органические твёрдые отходы. Деревянный настил размещается на земле перед разливкой шлака и крепится временными фиксаторами к земле. Это необходимо для того, чтобы высоко кинетический поток жидкого шлака не сдвинул настил с места, и чтобы он не поднялся на поверхность шлака в начальный момент кристаллизации (остывания). Сверху настила выливается сталеплавильный шлак так, чтобы настил находилась полностью под шлаковым поясом. Пока шлак остывает до температур безопасной транспортировки к месту переработки – происходит высокотемпературный высокоскоростной пиролизный процесс образования оксида углерода с водородом и одновременный процесс восстановления такими продуктами железа из оксидов железа шлака.

После остывания, шлак транспортируется к месту переработки, где существующим оборудованием, магнитным способом, извлекаются из шлака как остатки (корольки) железа, так и восстановленное выше поименованным способом железо.

В последствии, при переработке такого шлака, можно извлекать уже и оставшиеся восстановленные дороге и редкоземельные металлы.

Преимущества способа

– Одновременное решение экологической задачи – утилизация органических отходов;

– Вторичная переработка металлургических отходов с получением утильного железа;

– Простота и доступность реализации на действующем сталеплавильном производстве;

– Меньшая материалоёмкость по сравнению с классическими пиролизными установками;

– Энергетическая автономность – тепло обеспечивается за счёт заливки жидкого шлака;

– Потенциал масштабирования и модификации под различные типы органических отходов и шлаков.

Ограничения и этап экспериментальной проверки

Учитывая сложность процессов диффузии восстановительных газов в горячем кристаллизующемся шлаке, а также влияние геометрии укладки отходов, содержания в шлаке редуцируемого железа, скорости остывания и других факторов, необходима разработка ОКР на промышленной площадке с последующим анализом полученного шлака и уровня восстановления металлов.

Вывод

Заявленный способ теоретически позволяет без каких-либо дополнительных затрат (бесплатно) возвращать в производство дополнительно до 66 кг железа с каждой тонны конвертерного шлака с одновременной утилизацией твёрдых органических отходов.

Технология позволяет организовать извлечение остальных дорогих и редкоземельных металлов.

Количество восстановленного метала будет зависеть исключительно от количества, качества и расположения твёрдых органических отходов под слоем горячего шлака.

Для подтверждения заявляемого необходимы ОКР на действующем производстве с дополнительными затратами 0 рублей, 0 копеек. Всё уже есть на действующем производстве, необходимо только грамотно организовать выше поименованный процесс.

Без ОКР судить об эффективности не эффективности предложенного способа невозможно, т.к. многие особенности одновременно протекания различных процессов в заявленном способе не известны.

Под терминологией “бесплатно” именуется дополнительный экологический аспект предлагаемой технологии, благодаря которому происходит утилизация любых твёрдых органических отходов, что не маловажно в современных условиях.

Всё это возможно за счёт предлагаемой бесплатной технологии грамотной утилизации остаточной энергии жидкого высокотемпературного сталеплавильного шлака, которая по настоящее время в этом аспекте никогда и никем не использовалась.

Хотя конвертерный шлак с температурой в 1500 градусов можно переработать не для восстановления железа, а для производства, например, низкокачественной и дешёвой минеральной ваты для строительства, но эта технология будет предложена мной позже.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

4. Детонационно-распылительный способ получения порошков металлов микронного уровня

Получение порошков металлов методом газового распыления является относительно простым и дешевым технологическим процессом. При этом, и это важно – уровень “микронности” ограничен энергетическими характеристиками первичного газового потока:

– Размер образующихся частиц зависит от скорости газового потока.

– Размер образующихся частиц зависит от энергетики газового потока.

– Размер образующихся частиц зависит от температуры газового потока.

Наиболее эффективно распыление идёт при температуре газового потока, совпадающего с температурой расплава или выше её, так как вязкость и поверхностное натяжение при этом не претерпевают изменений в процессе дробления струи из-за отсутствия переохлаждения расплава.

Предложение

Анализируя выше поименованные ограничения получается, что для увеличения эффективности процесса получения мелко дисперсионных порошков микронного уровня необходимо увеличивать энергетику, скоростные и температурные характеристики первичного газового потока.

Исходя из выше изложенного, предлагается обратить внимание на детонационные источники энергии в качестве источника первичного высокоскоростного, высокоэнергетического и высокотемпературного

Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 С. Мощность тепловыделения в детонационном фронте на несколько порядка выше дефлаграционного фронта (обычного горения).Продукты детонации обладают огромной кинетической энергией. Теплопередача от продуктов детонации к теплоносителю существенно выше, чем при использовании обычного горения, ввиду огромной конвективной составляющей.

Наиболее подробно принципы работ, виды, типы, особенности, конструктивные исполнения детонационных источников энергии заявлены здесь:

Детонационные источники энергии и технологии

Предлагается для заявленных целей в качестве источника высокотемпературного, высокоскоростного и высокоэнергетического газового потока использовать классическую сферическая детонационно-резонансную горелку, например такого конструктивного исполнения, ссылка:

Детонационно-резонансная горелка.

Конструктивное исполнение по заявляемому способу

Предлагаемое конструктивное исполнения по заявленному способу достаточно просто и выглядит согласно рис. № 3.

Сферическая детонационно-резонансная горелка размещена сверху по центру достаточно габаритного пылеуловительного бункера. Сама горелка имеет конструктивное отличие от классики тем, что дополнительно на наружной части сферического резонатора горелки в центральной части установлена ёмкость с жидким металлом. В ёмкости внизу на выходе установлен клапан регулировки потока подачи жидкого металла. Бункер снабжён по средине пылеуловительными тарелками и нижним затвором для выгрузки мелко дисперсионного порошка металла.

Рис. № 3. Гравитационно-детонационный распылительный способ получения мелко дисперсионных порошков микронного уровня любых металлов из жидких расплавов.

Принцип работы:

Жидкий металл гравитационным способом подаётся в фокус сжатия/разряжения волн детонационного горения классической детонационно-резонансной горелки. Структура потока определяется клапаном регулировки подачи жидкого металла.

Разрушение жидкого металла начинает происходить непосредственно в фокусе формирования следующих друг за другом волн детонационного горения в детонационно-резонансной горелке. Затем частицам жидкого металла придаётся значительное ускорение следующими друг за другом сверхзвуковыми волнами горения/сжатия.

Происходит высоко энергетическое, высокотемпературное и высокоскоростное распыление жидкого металла. Время пребывания частичек металла в волнах горения несоизмеримо мало, поэтому последние не успевают сгореть с образованием оксидов. Продукт распыления оседает в крупногабаритном бункере с встроенными пылеуловительными тарелками.

Заключение:

Предложенный детонационно-распылительный способ получения мелкодисперсных порошков металлов представляет собой перспективное технологическое решение, позволяющее радикально повысить эффективность диспергирования жидких расплавов за счёт использования уникальных характеристик детонационного газового потока. Благодаря высокой температуре, скорости и энергетике продуктов детонации, становится возможным существенно снизить размер частиц металла до микронного и, потенциально, субмикронного уровня, что трудно достижимо при традиционных методах газового распыления.

Использование сферической детонационно-резонансной горелки в сочетании с продуманной системой подачи расплава и пылеуловления позволяет создавать компактную, но мощную установку с высокой производительностью и широкой применимостью на различных этапах порошковой металлургии, аддитивных и нанотехнологий. При этом остаются технические вызовы, связанные с устойчивой работой детонационного источника и требованием к материалам, работающим в экстремальных условиях.

В целом, разработка и внедрение данной технологии может открыть новые горизонты в производстве функциональных порошковых материалов, повысив точность, чистоту и расширив диапазон применимых металлов. Рекомендуется проведение экспериментальных испытаний и опытно-промышленной апробации установки с целью дальнейшей оптимизации процесса и масштабирования для промышленных нужд.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

5. Способ очистки стального листа от цинкового покрытия

Оцинкованный лом как правило закупается металлургическими компаниями со значительной скидкой (дисконтом) по сравнению с стальным ломом. Связано это с дополнительной необходимостью при переработке такого лома улавливать ядовитые высокоактивные пары цинка согласно экологических и технологических нормативов.

Таким образом, существует большой интерес к разработке экономичного способа удаления цинка из оцинкованного лома для целей возврат цинка в технологический процесс и реализация очищенного лома без дисконта на цинковое покрытие.

Анализ предлагаемых способов решения в открытой печати показал, что основной вектор решения проблемы направлен в сторону развития гальванических, электролитических и химических способов, таких как: растворение цинка травильными растворами, растворение раствором карбоната аммония, растворение цинка каустической содой, восстановление в виде хлорида цинка, ускорение удаления цинка окислителями, удаление с помощью электролиза в едком электролите.

Такие решения эффективны на небольших разовых товарах, но совершенно не подходят для промышленной утилизации, когда по объёму работ бракуются целиком стальные рулоны с не качественным оцинкованным покрытием.

При этом хочу подчеркнуть, что на данный момент ни один процесс очистки стального листа от цинкового покрытия не переведен в реальную производственную сферу.

Для понимания объёма работ и визуализации количества цинкового покрытия можно провести небольшой эксперимент, показывающий бесперспективность развития гальванических, электролитических и химических способов массового производства.

Газовой горелкой нагреваем небольшое пятно оцинкованного стального листа до температуры плавления цинка и скребком счищаем с него цинк. Визуализируется достаточно большой объём цинка для маленького пятна. А теперь умножим его в тысячи и десятки тысяч раз и поймём бесперспективность гальванических, электролитических и химических способов. Они заключаются в технологиях сначала растворить, затем обратно выделить такой объём цинка с больших площадей. Количество энергии, химических реагентов и их рециркуляция обесценивают все выше предлагаемые гальванические, электролитические и химические способы утилизации цинковых покрытий.

Сущность способа.

Способ предполагает одновременное сверх высокотемпературное и кинетическое воздействие на обе поверхности оцинкованного стального листа внутри детонационной камеры продуктами детонационного горения со скоростями уровня 2000м/с и температурой во фронте уровня 3000 С. Такое воздействие совмещает сразу два технологических этапа: сверхвысокоскоростной нагрев цинкового покрытия до жидкого состояния и одновременный перевод его в аэрорированное состояние (сдувание) с последующим улавливанием продуктов аэрорирования (цинка) классическими способами.

На технологиях улавливания аэрорированного цинка останавливаться не будем. Такие аспирационные установки широко известны и в конструктивном плане давно отработаны.

Описание способа

Удаление оцинкованного покрытия с поверхности стального листа продуктами детонационного горения достигается в результате:

– одновременного сверхвысокоскоростного детонационного нагрева поверхностей стального листа с обоих сторон до температур плавления цинка .

– одновременного воздействия на расплав кинетической энергией продуктами детонационного горения топливовоздушной смеси .

– импульсного периодического следования волн детонационного горения. При этом энергетическая эффективность способа зависит непосредственно от частоты следования .

Основой способа удаления цинкового покрытия является детонационная горелка, которая способна обеспечить высокоэнергетические, высоко кинетические, следующие друг за другом потоки волн детонационного горения для заявленных целей.

Конструктивные решения детонационных источников энергии под заявленные цели выбираются на основании рациональной классификации всех возможных и будущих источников детонационного горения, которая заявлена в главе 6 настоящей книги.

Схематически реализация способа очистки стального листа от цинкового покрытия представлена на рис. № 4.

Рис. № 4. Детонационный термокинетический способ очистки стального листа от цинкового покрытия

Стальной лист перемещается внутри и поперёк оси трубчатой камеры детонационного воздействия. Трубчатая камера с одной стороны соединена с выходной частью детонационного источника энергии (высокочастотной детонационной горелки). С другой стороны трубчатая камера соединяется с аспирационной установкой, например, мокрого улавливания. Для продолжительной работы в условиях промышленного производства трубчатая камера должна быть оборудована водоохлаждаемым кожухом (на рисунке не показан).

Такое конструктивное исполнение позволяет сформировать в локализованной габаритами трубчатой камере, с обеих сторон стального листа – два идентичных высокотемпературных и кинетических потока продуктов детонационного горения от источника детонационной энергии (горелки).

Необходимо отметить особенность распространения волны детонационного горения:

В импульсном режиме одна волна детонационного горения распространяется со скоростями уровня 2000 м/с и температурой во фронте уровня 3000 С. В единичных импульсах такие сверхвысокие температуры с точки зрения нагрева поверхности оцинкованного стального листа нивелируются сверхзвуковой скоростью распространения. Т.е. одной волной детонационного горения нагреть поверхность стального листа до температур плавления цинка невозможно. Здесь нужно использовать следующие друг за другом в импульсном режиме волны детонационного горения. Это может быть достигнуто, например, классическими трубчатыми детонационными источниками энергии.

Классические трубчатые источники волн детонационного горения хороши для проведения опытно-конструкторские работ для целей подтверждения заявленного способа удаления цинкового покрытия, работа которого представлена на рис. № 5.

Рис. № 5. Размещение стального листа в волне детонационного горения.

Как уже было заявлено выше – трубчатые источники энергии хороши, но обладают существенным недостатком. Это низкая частота следования волн детонационного горения, ограниченная 100 Гц. В случае обязательной продувки камеры детонационного горения между импульсами частота уменьшается до 20-50 Гц.

Наиболее перспективное решение в заявленном способе видится применение квазиимпульсных детонационных источников энергии, способных обеспечить частоты следования волн детонационного горения уровня 1 кГц, которые достаточно подробно изложены в 6 главе настоящей книги.

Например, полусферическая детонационно-резонансная горелка, согласно рис. № 6.

Рис. № 6. Детонационно-резонансная полусферическая горелка для заявленных целей

Для примера, в главе 6 настоящей книги представлены различные типы спиновых источников детонационного горения с механическими и электромагнитными системами клапанов управления детонационного горения.

Такие источники волн детонационного горения работают на частотах 1-10 кГц, что вполне достаточно для промышленной очистки оцинкованного стального листа от цинкового покрытия.

Предварительная оценка эффективности

Для приблизительной оценки эффективности заявленного способа предлагается вариант для случая использования простейшего трубчатого детонационного источника энергии, работающего на частоте следования волн детонационного горения в 100 Гц.

– Камера детонационного воздействия представляет собой трубу с внутренним диаметром 0,1 м и длинной 1.5 метра (ширина стального листа).

– Объём камеры детонационного воздействия 0,0078 м3. Для такого объёма нужно 0,004 м3 газа для одного импульса детонационного горения.

– Две очищаемые поверхности стального листа, расположены внутри трубы и имеют общую площадь 0,3 м2.

– Стальной лист, например, оцинкован по классу П с двух сторон слоем в 60 микрон и имеет общее значение массы цинка при пересчёте на площадь в 0,3 м2 – 256 грамм.