Предлагаемый способ заключается в том, что предварительное дробление исходного материала производят выборочно и ориентированно с концентрированным усилием от 900 до 1200 Дж. В процессе переработки отобранные пылевидные фракции заключают в замкнутый объем и оказывают на них механическое воздействие до получения тонкодисперсного порошка с удельной поверхностью не менее 5000 см 2 /г. Установка для осуществления этого способа включает устройство для дробления и грохочения, выполненное в виде манипулятора с дистанционным управлением, на котором установлен гидропневмоударный механизм. Кроме того, установка содержит герметичный модуль, сообщенный с системой отбора пылевидных фракций, имеющий средство для обработки этих фракций в тонкодисперсный порошок. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к литейному производству, а более точно к способу переработки литых твердых шлаков в виде глыб с металлическими включениями и установке для полной переработки этих шлаков. Данные способ и установка позволяют практически полностью утилизировать перерабатываемые шлаки, а полученные в результате этого конечные продукты - товарный шлак и товарную пыль использовать в промышленном и гражданском строительстве, например для производства строительных материалов. Образующиеся при переработке шлаков отходы в виде металла и дробленого шлака с металлическими включениями используются как шихтовые материалы для плавильных агрегатов. Переработка литых твердых шлаковых глыб, пронизанных металлическими включениями, сложная, трудоемкая операция, требующая уникального оборудования, дополнительных энергетических затрат, поэтому шлаки практически не используются и вывозятся на свалки, ухудшая экологию и загрязняя окружающую среду. Особую важность приобретают разработки способов и установок для осуществления полной безотходной переработки шлаков. Известен целый ряд способов и установок, частично решающих проблему переработки шлаков. В частности, известен способ переработки металлургических шлаков (SU, A, 806123), заключающийся в дроблении и грохочении этих шлаков до мелких фракций в пределах 0,4 мм с последующим разделением на два продукта: металлический концентрат и шлак. Данный способ переработки металлургических шлаков решает проблему в узком диапазоне, так как предназначен только для шлаков с немагнитными включениями. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ механического отделения металлов от шлака металлургических печей (SU, A, 1776202), включающий дробление металлургического шлака в дробилке и в мельницах, а также разделение по разности плотностей в водной среде фракций шлака и регенерируемого металла в пределах 0,5-7,0 мм и 7-40 мм с содержанием железа в фракциях металла до 98%

Отходы данного способа в виде фракций шлака после полного высушивания и сортировки используют в строительстве. Этот способ более эффективен по количеству и качеству извлекаемого металла, однако он не решает проблему предварительного дробления исходного материала, а также получения качественного по фракционному составу товарного шлака для изготовления, например, строительных изделий. Для осуществления таких способов, в частности, известна поточная линия (SU, A, 759132) для сепарации и сортирования отвальных металлургических шлаков, включающая загрузочное приспособление в виде бункера-питателя, вибрационные грохоты над приемными бункерами, электромагнитные сепараторы, холодильные камеры, барабанные грохота и приспособления для перемещения извлеченных металлических предметов. Однако на этой поточной линии также не предусмотрено предварительное дробление шлака в виде шлаковых глыб. Также известно устройство для грохочения и дробления материалов (SU, A, 1547864), включающее виброгрохот и установленную над ним раму с дробящим приспособлением, выполненную с отверстиями и установленную с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, а дробящее приспособление выполнено в виде клиньев с головками в их верхней части, которые установлены с возможностью перемещения в отверстиях рамы, при этом поперечный размер головок больше поперечного размера отверстий рамы. В трехстенной камере по вертикальным направляющим перемещается рама, в которой установлены дробящие приспособления, свободно висящие на головках. Площадь, занимаемая рамой, соответствует площади виброгрохота, и дробящие приспособления охватывают всю площадь решетки виброгрохота. Передвижная рама с помощью электропривода по рельсам накатывается на полотно виброгрохота, на котором установлена глыба шлака. Дробящие приспособления на гарантированном зазоре проходят над глыбой. При включении виброгрохота дробящие приспособления вместе с рамой опускаются вниз, не встречая препятствия, на всю длину скольжения до 10 мм от полотна виброгрохота, другие части (клинья) дробящего приспособления, встретив препятствие в виде поверхности глыбы шлака, остаются на высоте препятствия. Каждое дробящее приспособление (клин) при попадании на шлаковую глыбу находит свою точку соприкосновения с ней. Вибрация от грохота передается через лежащую на нем глыбу шлака в точках касания клиньев дробящих приспособлений, которые также начинают совершать в резонансе колебания в направляющих рамы. Разрушение глыбы шлака не происходит, и идет лишь частичное истирание шлака о клинья. Более близким к решению предлагаемого способа является вышеуказанное устройство для сепарации и сортирования отвальных и литейных шлаков (RU, A, 1547864), включающее систему доставки исходного материала в зону предварительного дробления, осуществляемого устройством для грохочения и дробления материалов, выполненным в виде приемного бункера с установленным над ним виброгрохотом и приспособления для непосредственного дробления шлака, вибродробилки для дальнейшего измельчения материала, электромагнитные сепараторы, вибросито, бункеры-накопители отсортированного шлака с дозаторами и транспортирующие устройства. В системе подачи шлака предусмотрен механизм-кантователь, обеспечивающий прием шлаковни с находящейся в ней остывшей глыбой шлака и подачу ее в зону виброгрохота, выбивку шлаковой глыбы на полотно виброгрохота и возврат пустой шлаковни в исходное положение. Вышеперечисленные способы и устройства для их осуществления используют варианты дробления и оборудование для переработки шлаков, при работе которых выделяются не утилизируемые пылевидные фракции, загрязняющие почву и воздух, что в значительной мере воздействует на экологическое равновесие окружающей среды. В основу изобретения положена задача создать способ переработки шлаков, в котором предварительное дробление исходного материала с последующей его сортировкой по уменьшающимся размерам фракций и отбор образующихся пылевидных фракций осуществляют таким образом, что появляется возможность полной утилизации обрабатываемых шлаков, а также создать установку для осуществления данного способа. Эта задача решена в способе переработки шлаков литейного производства, включающем предварительное дробление исходного материала и последующую его сортировку по уменьшающимся фракциям до получения товарного шлака с одновременным отбором образующихся пылевидных фракций, в котором согласно изобретению предварительное дробление осуществляют выборочно и ориентированно с концентрированным усилием от 900 до 1200 Дж, а отобранные пылевидные фракции заключают в замкнутый объем и оказывают на них механическое воздействие до получения тонкодисперсного порошка с удельной поверхностью не менее 5000 см 2 /г. Целесообразно тонкодисперсный порошок использовать как активный исполнитель для строительных смесей. Такое выполнение способа позволяет полностью перерабатывать шлаки литейный производств, имея в результате два конечных продукта товарный шлак и товарную пыль, используемые для строительных целей. Задача также решена посредством установки для осуществления способа, включающей систему доставки исходного материала в зону предварительного дробления, устройство для дробления и грохочения, вибрационные дробилки с электромагнитными сепараторами и транспортирующими приспособлениями, осуществляющими измельчение и сортировку материала по уменьшающимся фракциям, классификаторы крупной и мелкой фракции и систему отбора пылевидных фракций, в которой согласно изобретению устройство для дробления и грохочения выполнено в виде манипулятора с дистанционным управлением, на котором установлен гидропневмоударный механизм, и в установке смонтирован герметичный модуль, сообщенный с системой отбора пылевидных фракций, имеющий средство для обработки этих фракций в тонкодисперсный порошок. Предпочтительно в качестве средства для обработки пылевидных фракций использовать каскад последовательно расположенных винтовых мельниц. Один из вариантов изобретения предусматривает, что установка имеет систему возврата обрабатываемого материала, установленную вблизи классификатора крупной фракции, для его дополнительного измельчения. Такое выполнение установки в целом позволяет с высокой степенью надежности и эффективности и без больших затрат электроэнергии переработать отходы литейного производства. Сущность изобретения заключается в следующем. Литые шлаки литейного производства характеризуются прочностью, то есть сопротивлением разрушению при возникновении внутренних напряжений, появляющихся в результате какого-либо нагружения (например, при механическом сжатии), и могут быть отнесены по пределам прочности на сжатие ( сж) к горным породам средней прочности и прочным. Наличие металлических включений в шлаке армирует монолитную глыбу, упрочняя ее. Описанные ранее способы разрушения не учитывали прочностных характеристик разрушаемого исходного материала. Усилие разрушения характеризуется величиной P = сж F, где Р усилие разрушения при сжатии, F площадь прилагаемого усилия, было значительно ниже прочностных характеристик шлака. Предлагаемый способ основан на уменьшении площади приложения усилия F до размеров, определяемых прочностными характеристиками материала, используемого инструмента и выбором усилия Р. Вместо статических усилий, используемых в вышеописанных технических решениях, в настоящем изобретении применяют динамические усилия в виде направленного, ориентированного удара с определенной энергией и частотой, что в целом увеличивает эффективность способа. Опытным путем подобраны параметры частоты и энергии нанесения ударов в пределах 900-1200 Дж с частотой 15-25 ударов в минуту. Такая методика дробления осуществляется в предлагаемой установке при помощи гидропневмоударного механизма, смонтированного на манипуляторе устройства для дробления и грохочения шлака. Манипулятор обеспечивает прижим к объекту разрушения гидропневмоударного механизма во время его работы. Регулирование прилагаемого усилия дробления шлаковых глыб производят дистанционно. В то же время шлаки это материал с потенциальными вяжущими свойствами. Способность к их твердению появляется преимущественно под действием активизирующих добавок. Однако есть такое физическое состояние шлаков, когда потенциальные вяжущие свойства проявляются после механических воздействий на фракции переработанного шлака до получения определенных размеров, характеризующихся показателем удельной поверхности. Получение высокой удельной поверхности измельченных шлаков является существенным фактором приобретения ими химической активности. Проведенные лабораторные исследования подтверждают, что значительное улучшение качества шлака, используемого как вяжущее, достигается при измельчении, когда его удельная поверхность превышает 5000 см 2 /г. Такую величину удельной поверхности можно получить при механическом воздействии на отбираемые пылевидные фракции, заключенные в замкнутый объем (герметичный модуль). Это воздействие осуществляют при помощи каскада последовательно расположенных в герметичном модуле винтовых мельниц, постепенно превращающих этот материал в тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью более 5000 см 2 /г. Таким образом предложенные способ и установка для переработки шлаков позволяют практически полностью их утилизировать, в результате чего получают товарную продукцию, используемую в частности в строительстве. Комплексное использование шлаков в значительной мере оздоровляет окружающую среду, а также высвобождает продуцирующие площади, используемые под отвалы. В связи с повышением степени утилизации перерабатываемых шлаков снижается себестоимость выпускаемой продукции, что, соответственно, повышает эффективность используемого изобретения. На фиг. 1 схематично изображена установка для осуществления способа переработки шлака согласно изобретению, в плане; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1;

На фиг. 3 вид Б на фиг. 2;

На фиг. 4 разрез В-В на фиг. 3. Предлагаемый способ предусматривает полную безотходную переработку шлаков для получения товарного дробленого шлака требуемых фракций и пылевидных фракций, перерабатываемых в тонкодисперсный порошок. Кроме того, получают материал с металлическими включениями, который повторно используют в плавильных агрегатах линейного и металлургического производства. Для этого литую заготовку глыбу с металлическими включениями предварительно ориентированно раздрабливают с концентрированным усилием от 900 до 1200 Дж над виброгрохотом с провальной решеткой. Металл и шлак с металлическими включениями, размеры которых больше размеров отверстий провальной решетки виброгрохота, отбирают магнитной плитой крана и складируют в тару, а оставшиеся на виброгрохоте куски шлака направляют на более мелкое дробление в виброщековую дробилку, размещенную в непосредственной близости от виброгрохота. Провалившийся через провальную решетку раздробленный материал транспортируют по системе виброщековых дробилок с отбором металла и шлака с включениями металла электромагнитными сепараторами для дальнейшего измельчения и сортировки. Размер кусков, не прошедших через провальную решетку, колеблется от 160 до 320 мм, а прошедших от 0 до 160 мм. На последующих этапах шлак измельчают до фракций с размером 0-60 мм, 0-12 мм и отбирают шлак с металлическими включениями. Затем измельченный шлак подают на классификатор крупной фракции, где происходит отбор материала с размером 0-12 и более 12 мм. Более крупный материал направляют в систему возврата на доизмельчение, а материал с размером 0-12 мм направляют по основному технологическому потоку на классификатор мелкой фракции, где происходит отбор пылевидной фракции размера 0-1 мм, которую собирают в герметичном модуле для последующего воздействия и получения тонкодисперсного порошка с удельной поверхностью более 5000 см 2 /г, используемого как активный наполнитель для строительных смесей. Отобранный на классификаторе мелкой фракции материал с размером 1-12 мм является товарным шлаком, который направляют в накопительные емкости для последующей отгрузки заказчику. Состав этого товарного шлака приведен в таблице. Отобранные фракции шлака с металлическими включениями по дополнительному технологическому потоку возвращают в плавильный цех на переплавку. Содержание металла в отобранных магнитной сепарацией измельченных шлаках находится в пределах 60-65%

Используемый в качестве активного наполнителя тонкодисперсный порошок включают в состав вяжущего, например, для получения бетона, где заполнителем является дробленый литейный шлак с размером фракции 1-12. Исследование качественных характеристик полученного бетона указывает на увеличение его прочности при проверке на морозостойкость после 50 циклов. Описанный выше способ переработки шлаков может быть с успехом воспроизведен на установке (фиг. 1-4), содержащей систему доставки шлака из плавильного цеха в зону предварительного дробления, где размещены кантователь 1, виброгрохот 2 с провальной немагнитной решеткой 3 и манипулятор 4, управляемый дистанционно с пульта (С). На манипуляторе 4 установлен гидропневмоударный механизм в виде долбяка 5. Для обеспечения более надежного дробления исходного материала до необходимого размера вблизи виброгрохота 2 размещены вибробункер 6 и щековая дробилка 7. Кроме того, в зоне дробления смонтирован кран 8 для удаления негабаритных металлических кусков, остающихся на провальной решетке 3. Раздробленный материал при помощи системы транспортирующих приспособлений, в частности ленточных конвейеров 9, перемещается по основному технологическому потоку (изображен на фиг. 1 контурной стрелкой), на пути которого последовательно смонтированы виброщековые дробилки 10 и электромагнитные сепараторы 11, обеспечивающие измельчение и сортирование шлака по уменьшающимся фракциям до заданных размеров. На пути основного технологического потока смонтированы классификаторы 12 и 13 для крупной и мелкой фракции измельченного шлака. Установка также предполагает наличие дополнительного технологического потока (на фиг. 1 изображен треугольной стрелкой), включающего систему возврата материала, не измельченного до необходимого размера, расположенную вблизи классификатора 12 для крупной фракции и состоящую из перпендикулярно расположенных относительно друг друга транспортеров и щековой дробилки 14, а также систему 15 удаления отмагниченных материалов. На выходе основного технологического потока установлены накопители 16 полученного товарного шлака и герметичный модуль 17, сообщенный с системой отбора пыли, выполненной в виде емкости 18. Внутри модуля 17 последовательно расположен каскад винтовых мельниц 19 для обработки пылевидных фракций в тонкодисперсный порошок. Устройство работает следующим образом. Шлаковня 20 с остывшим шлаком подается, например, погрузчиком (не показан) в зону работы установки и размещается на тележке кантователя 1, который опрокидывает ее на решетку 3 виброгрохота 2, выбивает шлаковую глыбу 21 и возвращает шлаковню в исходное положение. Далее пустую шлаковню снимают с кантователя и на ее место устанавливают другую с шлаком. Затем манипулятор 4 подводится к виброгрохоту 2 для раздробления шлаковой глыбы 21. Манипулятор 4 имеет шарнирную стрелку 22, на которой шарнирно закреплен долбняк 5, дробящий шлаковую глыбу на куски разной крупности. Корпус манипулятора 4 установлен на подвижной несущей раме 23 и вращается вокруг вертикальной оси, обеспечивая обработку глыбы по всей площади. Манипулятор прижимает пневмоударный механизм (долбняк) к шлаковой глыбе в выбранной точке и наносит серию ориентированных и концентрированных ударов. Дробление производят до таких размеров, которые обеспечивают максимальное прохождение кусков через отверстия в провальной решетке 3 виброгрохота 2. После окончания дробления манипулятор 4 возвращается в исходное положение и вступает в работу виброгрохот 2. Оставшиеся на поверхности виброгрохота отходы в виде металла и шлака с металлическими включениями отбираются магнитной плитой крана 8, причем качество отбора обеспечивается за счет установки на виброгрохоте 2 провальной решетки 3 из немагнитного материала. Отобранный материал складируется в тару. Другие крупные куски шлака с незначительным содержанием металла сталкиваются с провальной решетки в щековую дробилку 7, откуда продукт дробления поступает в основной технологический поток. Прошедшие через отверстия провальной решетки 3 фракции шлака попадают в вибробункер 6, из которого ленточным конвейером 9 подаются на систему виброщековых дробилок 10 с электромагнитными сепараторами 11. Измельчение и сортирование фракций шлака обеспечивается в основном непрерывном технологическом потоке при помощи системы транспортирующих приспособлений конвейеров 9, взаимосвязанных между собой в указанном потоке. Измельченный в основном потоке материал поступает на классификатор 12, где происходит его сортирование на фракции размера 0-12 мм. Более крупные фракции по системе возврата (дополнительный технологический поток) поступают в щековую дробилку 14, доизмельчаются и опять возвращаются в основной поток на повторную сортировку. Пропущенный через классификатор 12 материал подается на классификатор 13, в котором происходит отбор пылевидных фракций размера 0-1 мм, поступающих в герметичный модуль 17, и 1-12 мм, поступающих в накопители 16. В процессе измельчения материала в основном технологическом потоке образующаяся пыль по системе ее отбора (местные отсосы) собирается в емкости 18, которая сообщается с модулем 17. В дальнейшем производят обработку всей собранной в модуле пыли в тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью более 5000 см 2 /г, при помощи каскада последовательно установленных винтовых мельниц 19. С целью упорядочивания очистки основного потока шлака от металлических включений на всем его пути производится их отбор при помощи электромагнитных сепараторов 11 и передача в систему 15 удаления отмагниченных материалов (дополнительный технологический поток), в последующем транспоpтируемых на переплавку.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ переработки шлаков литейного производства, включающий предварительное дробление исходного материала и последующую его сортировку по уменьшающимся фракциям до получения товарного шлака с одновременным отбором образующихся пылевидных фракций, отличающийся тем, что предварительное дробление осуществляют выборочно и ориентированно с концентрированным усилием от 900 до 1200 Дж, а отобранные пылевидные фракции заключают в замкнутый объем и оказывают на них механическое воздействие до получения тонкодисперсного порошка с удельной поверхностью не менее 5000 см 2 . 2. Установка для переработки шлаков литейного производства, включающая систему доставки исходного материала в зону предварительного дробления, устройство для дробления и грохочения, вибрационные дробилки с электромагнитными сепараторами и транспортирующими приспособлениями, осуществляющими измельчение и сортировку материала по уменьшающимся фракциям, классификаторы крупной и мелкой фракции и систему отбора пылевидных фракций, отличающаяся тем, что устройство для дробления и грохочения выполнено в виде манипулятора с дистанционным управлением, на котором установлен гидропневмоударный механизм, и в установке смонтирован герметичный модуль, сообщенный с системой отбора пылевидных фракций, имеющий средство для обработки этих фракций в тонкодисперсный порошок. 3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что средство для обработки пылевидных фракций в тонкодисперсный порошок представляет собой каскад последовательно расположенных винтовых мельниц. 4. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что она снабжена системой возврата обрабатываемого материала, установленной вблизи классификатора крупной фракции, для его дополнительного измельчения.

Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения. Около 40% всех заготовок, используемых в машиностроении, получают литьем. Однако, литейное производство является одним из наиболее экологически неблагоприятных.

В литейном производстве применяется более 100 технологических процессов, более 40 видов связующих, более 200 противопригарных покрытий.

Это привело к тому, что в воздухе рабочей зоны встречается до 50 вредных веществ, регламентированных санитарными нормами. При производстве 1т чугунных отливок выделяется:

10..30 кг - пыли;

200..300 кг - оксида углерода;

1..2 кг - оксида азота и серы;

0.5..1.5 г - фенола, формальдегида, цианидов и др.;

3 м 3 - загрязненных сточных вод может поступить в водный бассейн;

0.7..1.2 т - отработанных смесей в отвал .

Основную массу отходов литейного производства составляют отработанные формовочные и стержневые смеси и шлак. Утилизация этих отходов литейного производства наиболее актуальна, т.к. несколько сот гектаров поверхности земли занимают вывозимые ежегодно в отвал смеси , в Одесской области.

В целях снижения загрязнения почв различными промышленными отходами в практике охраны земельных ресурсов предусматриваются следующие мероприятия:

утилизация;

обезвреживание методом сжигания;

захоронение на специальных полигонах;

организация усовершенствованных свалок .

Выбор метода обезвреживания и утилизации отходов зависит от их химического состава и степени влияния на окружающую среду.

Так, отходы металлообрабатывающей, металлургической, угольной промышленности, содержат частицы песка, породы и механические примеси. Поэтому отвалы изменяют структуру, физико-химические свойства и механический состав почв.

Указанные отходы используют при строительстве дорог, засыпке котлованов и отработанных карьеров после обезвоживания. В тоже время отходы машиностроительных заводов и химических предприятий, содержащие соли тяжелых металлов, цианиды, токсичные органические и неорганические соединения, утилизации не подлежат. Эти виды отходов собирают в шламонакопители, после чего их засыпают, утрамбовывают и озеленяют место захоронения .

Фенол - наиболее опасное токсичное соединение, находящееся в формовочных и стержневых смесях. В тоже время исследования показывают, что основная часть фенолсодержащих смесей, прошедших заливку, практически не содержит фенола и не представляет собой опасности для окружающей среды. Кроме того, фенол, несмотря на его высокую токсичность, быстро разлагается в почве . Спектральный анализ отработанных смесей на других видах связующего показал отсутствие особоопасных элементов:Hg, Pb, As, F и тяжелых металлов . Т.е., как показывают расчеты данных исследований, отработанные формовочные смеси не представляют собой опасности для окружающей среды и не требуют каких-либо специальных мероприятий по их захоро­нению . Негативным фактором является само существование отвалов, которые создают неприглядный пейзаж, нарушают ландшафт. Кроме того, пыль, уносимая с отвалов ветром, загрязняет окружающую среду . Однако, нельзя сказать, что проблема отвалов не решается. В литейном производстве существует целый ряд технологического оборудования, позволяющего проводить регенерацию формовочных песков и использовать их в производственном цикле неоднократно. Существующие методы регенерации традиционно делятся на механические, пневматические, термические, гидравлические и комбинированные.

По данным Международной комиссии по регенерации песков, в 1980 г. из 70 опрошенных литейных предприятий Западной Европы и Японии 45 использовали установки механической регенерации .

В тоже время, литейные отработанные смеси - хорошее сырье для стройматериалов: кирпича, силикатного бетона, и изделий из него, строительных растворов, асфальтобетона для дорожных покрытий, для отсыпки полотна железных дорог .

Исследования Свердловских ученых (Россия) показали, что отходы литейного производства обладают уникальными свойствами: ими можно обрабатывать осадки сточных вод (для этого пригодны существующие отвалы литейного производства); защищать стальные конструкции от почвенной коррозии . Специалисты Чебоксарского завода промышленных тракторов (Россия) использовали пылевидные отходы регенерации в качестве добавки (до 10%) при производстве силикатного кирпича .

Многие литейные отвалы используются как вторичное сырье в самом литейном производстве. Так, например, кислый шлак сталелитейного производства и феррохромовый шлак применяются в технологии шликерного формообразования при литье по выплавляемым моделям .

В ряде случаев отходы машиностроительных и металлургических производств содержат значительное количество химических соединений, которые могут представлять ценность как сырье и использоваться в виде дополнения к шихте .

Рассмотренные вопросы улучшения экологической обстановки при производстве литых деталей позволяет сделать вывод о том, что в литейном производстве можно комплексно решать весьма сложные экологические проблемы.

3/2011_МГСу ТНИК

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ЛИТЕИИОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

RECYCLING OF THE WASTE OF FOUNDRY MANUFACTURE AT MANUFACTURING OF BUILDING PRODUCTS

B.B. Жариков, B.A. Езерский, H.B. Кузнецова, И.И. Стерхов V. V. Zharikov, V.A. Yezersky, N.V. Kuznetsova, I.I. Sterhov

В настоящих исследованиях рассматривается возможность утилизации отработанной формовочной смеси при использовании ее в производстве композиционных строительных материалов и изделий. Предложены рецептуры строительных материалов, рекомендованные для получения строительных блочков.

In the present researches possibility of recycling of the fulfilled forming admixture is surveyed at its use in manufacture of composite building materials and products. The compoundings of building materials recommended for reception building блочков are offered.

Введение.

В ходе технологического процесса литейное производство сопровождается образованием отходов, основной объем которых составляют отработанные формовочные (ОФС) и стержневые смеси и шлак. В настоящее время до 70 % этих отходов ежегодно вывозятся в отвал . Экономически нецелесообразным становится складирование промышленных отходов и для самих предприятий, так как вследствие ужесточения экологических законов за 1 тонну отходов приходится платить экологический налог, величина которого зависит от вида складируемого отхода. В связи с этим появляется проблема утилизации накопившихся отходов. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование ОФС в качестве альтернативы природному сырью при производстве композиционных строительных материалов и изделий.

Использование отходов в строительной индустрии позволит снизить экологическую нагрузку на территории полигонов и исключить непосредственный контакт отходов с окружающей средой, а также повысить эффективность использования материальных ресурсов (электроэнергии, топлива, сырьевых материалов). Кроме того, производимые материалы и изделия с использованием отходов соответствуют требованиям эколого-гигиенической безопасности, так как цементный камень и бетон являются детоксикантами для многих вредных ингредиентов, включая даже золы от мусоросжи-гания, содержащие диоксины.

Целью настоящей работы является подбор составов многокомпонентных композиционных строительных материалов, обладающих физико-техническими параметра-

ВЕСТНИК 3/2011

ми, сопоставимыми с материалами, производимыми с использованием природного сырья.

Экспериментальное исследование физико-механических характеристик композиционных строительных материалов.

Компонентами композиционных строительных материалов являются: отработанная формовочная смесь (модуль крупности Мк=1,88), которая представляет из себя смесь вяжущего (Этилсиликат-40) и заполнителя (кварцевый песок различных фракций), используемая для полной или частичной замены мелкого заполнителя в смеси композиционного материала; портландцемент М400 (ГОСТ 10178-85); кварцевый песок с Мк=1,77; вода; суперпластификатор С-3, способствующий снижению водопо-требности бетонной смеси и улучшению структуры материала.

Экспериментальные исследования физико-механических характеристик цементного композиционного материала с использованием ОФС проводились с применением метода планирования эксперимента.

В качестве функций отклика были выбраны следующие показатели: прочность на сжатие (У), водопоглощение (У2), морозостойкость (!з), которые определялись по методикам соответственно. Этот выбор обусловлен тем, что при наличии представленных характеристик получаемого нового композиционного строительного материала можно определить область его применения и целесообразность использования.

В качестве влияющих факторов рассматривались следующие: доля содержания измельченной ОФС в заполнителе (х1); отношение вода/вяжущее (х2); отношение заполнитель/ вяжущее (х3); количество добавки пластификатора С-3 (х4).

При планировании эксперимента диапазоны изменения факторов принимались исходя из максимальных и минимальных возможных значений соответствующих параметров (табл. 1).

Таблица 1. - Интервалы варьирования факторов

Факторы Диапазон изменения факторов

х, 100% песок 50% песок+ 50% измельченная ОФС 100% измельченная ОФС

х4, % масс. вяжущего 0 1,5 3

Изменение смесевых факторов позволит получать материалы с широким диапазоном строительно-технических свойств.

Предполагалось, что зависимость физико-механических характеристик может быть описана приведенным полиномом неполного третьего порядка, коэффициенты которого зависят от значений уровней смесевых факторов (х1, х2, х3, х4) и описываются, в свою очередь, полиномом второго порядка.

В результате проведения экспериментов были сформированы матрицы значений функций отклика Уь У2, У3. С учетом значений повторных опытов для каждой функции было получено 24*3=72 значения.

Оценки неизвестных параметров моделей находились при помощи метода наименьших квадратов, то есть минимизируя сумму квадратов отклонений значений У от вычисленных по модели . Для описания зависимостей У=Дхь х2, х3, х4) использовались нормальные уравнения метода наименьших квадратов:

)=Хт ■ У, откуда: <0 = [хт X ХтУ,

где 0- матрица оценок неизвестных параметров модели; X - матрица коэффициентов; X - транспонированная матрица коэффициентов; У - вектор результатов наблюдений.

Для вычисления параметров зависимостей У=Дхь х2, х3, х4) использовались формулы, приведенные в для планов типа N.

В моделях при уровне значимости а=0,05 с помощью ¿-критерия Стьюдента выполнялась проверка значимости коэффициентов регрессии. Исключением незначимых коэффициентов определялся окончательный вид математических моделей.

Анализ физико-механических характеристик композиционных строительных материалов.

Наибольший практический интерес представляют зависимости прочности на сжатие, водопоглощения и морозостойкости композиционных строительных материалов при следующих фиксированных факторах: В/Ц отношение - 0,6 (х2=1) и количество заполнителя по отношению к вяжущему - 3:1 (х3=-1). Модели исследуемых зависимостей имеют вид: прочность на сжатие

у1 = 85,6 + 11,8 х1 + 4,07 х4 + 5,69 х1 - 0,46 х1 + 6,52 х1 х4 - 5,37 х4 +1,78 х4 -

1,91- х2 + 3,09 х42 водопоглощение

у3 = 10,02 - 2,57 х1 - 0,91-х4 -1,82 х1 + 0,96 х1 -1,38 х1 х4 + 0,08 х4 + 0,47 х4 +

3,01- х1 - 5,06 х4 морозостойкость

у6 = 25,93 + 4,83 х1 + 2,28 х4 +1,06 х1 +1,56 х1 + 4,44 х1 х4 - 2,94 х4 +1,56 х4 + + 1,56 х2 + 3,56 х42

Для интерпретации полученных математических моделей были построены графические зависимости целевых функций от двух факторов, при фиксированных значениях двух других факторов.

«2Л-40 ПЛ-М

Рисунок - 1 Изолинии прочности на сжатие композиционного строительного материала, кгс/см2, в зависимости от доли ОФС (Х1) в заполнителе и количества суперпластификатора (х4).

I Ц|1и|Мк1^|Ь1||ми..1 |||(| 9 ^ ______1|ЫИ<1ФС

Рисунок - 2 Изолинии водопоглощения композиционного строительного материала, % по массе, в зависимости от доли ОФС (х\) в заполнителе и количества суперпластификатора (х4).

□змо ■зо-Э5

□ 1ЕИ5 ■ ЫН) В 0-5

Рисунок - 3 Изолинии морозостойкости композиционного строительного материала, циклы, в зависимости от доли ОФС (хх) в заполнителе и количества суперпластификатора (х4).

Анализ поверхностей показал, что при изменении содержания ОФС в заполнителе от 0 до 100 % наблюдается в среднем рост прочности материалов на 45 %, снижение водопоглощения на 67 % и увеличение морозостойкости в 2 раза. При изменении количества суперпластификатора С-3 от 0 до 3 (% масс.) наблюдается в среднем рост прочности на 12 %; водопоглощение по массе изменяется в пределах от 10,38 % до 16,46 %; при заполнителе, состоящим из 100 % ОФС, морозостойкость увеличивается на 30 %, но при заполнителе, состоящим из 100 % кварцевого песка, морозостойкость уменьшается на 35 %.

Практическая реализация результатов экспериментов.

Анализируя полученные математические модели, можно выявить не только составы материалов с повышенными прочностными характеристиками (таблица 2), но и определить составы композиционных материалов с заранее заданными физико-механическими характеристиками при уменьшении в составе доли вяжущего (таблица 3).

После проведенного анализа физико-механических характеристик основных строительных изделий было выявлено, что рецептуры полученных составов композиционных материалов с использованием отходов литейной промышленности подойдут для производства стеновых блоков. Данным требованиям соответствуют составы композиционных материалов, которые приведены в таблице 4.

Х1(состав заполнителя,%) х2(В/Ц) Х3 (заполнитель/ вяжущее) х4 (супер пласти фикатор, %) ^сж, кгс/см2 Ш, % Морозостойкость, циклы

песок ОФС

100 % 0,4 3 1 3 93 10,28 40

100 % 0,6 3 1 3 110 2,8 44

100 % 0,6 3 1 - 97 6,28 33

50 % 50 % 0,6 3 1 - 88 5,32 28

50 % 50 % 0,6 3 1 3 96 3,4 34

100 % 0,6 3 1 - 96 2,8 33

100 % 0,52 3 1 3 100 4,24 40

100 % 0,6 3,3:1 3 100 4,45 40

Таблица 3 - Материалы с заранее заданными физико-механическими _характеристиками_

х! (состав заполнителя, %) х2 (В/Ц) х3 (заполнитель/ вяжущее) х4 (суперпластификатор, %) Лсж, кгс/см2

песок ОФС

100 % - 0,4 3:1 2,7 65

50 % 50 % 0,4 3,3:1 2,4 65

100 % 0,6 4,5:1 2,4 65

100 % 0,4 6:1 3 65

Таблица 4 Физико-механические характеристики строительных композиционных

материалов с использованием отходов литейной промышленности

х1 (состав заполнителя,%) х2(В/Ц) х3 (заполнитель/ вяжущее) х4 (супер пласти фикатор, %) ^сж, кгс/см2 ш, % Р, гр/см3 Морозостойкость, циклы

песок ОФС

100 % 0,6 3:1 3 110 2,8 1,5 44

100 % 0,52 3:1 3 100 4,24 1,35 40

100 % 0,6 3,3:1 3 100 4,45 1,52 40

Таблица 5 - Технико-экономические характеристики стеновых блоков

Строительные изделия Технические требования к стеновым блокам по ГОСТ 19010-82 Цена, руб/шт

Прочность на сжатие, кгс/см2 Коэффициент теплопро водности, X , Вт / м 0 С Средняя плотность, кг/м3 Водопогло-щение, % по массе Морозостойкость, марка

100 по ТУ производителя >1300 по ТУ производителя по ТУ производителя

Пескобетонный блочок ООО «Там-бовБизнесСтрой» 100 0,76 1840 4,3 И00 35

Блочок 1 с использованием ОФС 100 0,627 1520 4,45 Б200 25

Блочок 2 с использованием ОФС 110 0,829 1500 2,8 Б200 27

ВЕСТНИК 3/2011

Предложен способ вовлечения техногенных отходов взамен природных сырьевых ресурсов в производство композиционных строительных материалов;

Исследованы основные физико-механические характеристики композиционных строительных материалов с использованием отходов литейного производства;

Разработаны составы равнопрочных композиционных строительных изделий с уменьшенным расходом цемента на 20 %;

Определены составы смесей для изготовления строительных изделий, например, стеновых блоков.

Литература

1. ГОСТ 10060.0-95 Бетоны. Методы определения морозостойкости.

2. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определении прочности по контрольным образцам.

3. ГОСТ 12730.3-78 Бетоны. Метод определения водопоглощения.

4. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента.- М.: Атомиздат, 1978.- 232 с.

5. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента.- Мн.: Изд-во БГУ, 1982. -302 с.

6. Малькова М.Ю., Иванов А.С. Экологические проблемы отвалов литейного производства// Вестник машиностроения. 2005. №12. С.21-23.

1. GOST 10060.0-95 Concrete. Methods of definition of frost resistance.

2. GOST 10180-90 Concrete. Methods durability definition on control samples.

3. GOST 12730.3-78 Concrete. A method of definition of water absorption.

4. Zajigaev L.S., Kishjan A.A., Romanikov JU.I. Method of planning and processing of results of physical experiment. - Mn: Atomizdat, 1978. - 232 p.

5. Krasovsky G.I, Filaretov G.F. Experiment planning. - Mn.: Publishing house BGU, 1982. - 302

6. Malkova M. Ju., Ivanov A.S. Environmental problem of sailings of foundry manufacture//the mechanical engineering Bulletin. 2005. №12. p.21-23.

Ключевые слова: экология в строительстве, ресурсосбережение, отработанная формовочная смесь, композиционные строительные материалы, заранее заданные физико-механические характеристики, метод планирования эксперимента, функция отклика, строительные блоки.

Keywords: a bionomics in building, ресурсосбережение, the fulfilled forming admixture, the composite building materials, in advance set physicomechanical characteristics, method of planning of experiment, response function, building blocks.

Литейное производство характеризуется наличием токсичных воздушных выбросов, сточных вод и твердых отходов.

Острой проблемой в литейном производстве считается неудов­летворительное состояние воздушной среды. Химизация литей­ного производства, способствуя созданию прогрессивной техно­логии, одновременно ставит задачи по оздоровлению воздушной среды. Наибольшее количество пыли выделяется от оборудования для выбивки форм и стержней. Для очистки выбросов пыли при­меняют циклоны разных типов, полые скрубберы и циклоны-промыватели. Эффективность очистки в этих аппаратах находится в пре­делах 20-95 %. Применение в литейном производстве синтетиче­ских связующих особенно остро ставит проблему очистки воздуш­ных выбросов от токсичных веществ, главным образом от органи­ческих соединений фенола, формальдегида, оксидов углерода, бензола и др. Для обезвреживания органических паров литейного производства применяют различные способы: термическое сжига­ние, каталитическое дожигание, адсорбцию активированным уг­лем, окисление озоном, биоочистку и др.

Источником сточных вод в литейных цехах служат, главным образом, установки гидравлической и электрогидравлической очистки литья, мокрой очистки воздуха, гидрогенерации отрабо­танных формовочных смесей. Огромное экономическое значение для народного хозяйства имеет утилизация сточных вод и шлама. Количество сточных вод можно значительно снизить путем при­менения оборотного водоснабжения.

Твердые отходы литейного производства, поступающего в от­валы, представляют собой в основном отработанные литейные, пе­ски. Незначительную часть (менее 10 %) составляют металличе­ские отходы, керамика, бракованные стержни и формы, огнеупо­ры, бумажный и древесный мусор.

Основным направлением уменьшения количества твердых от­ходов в отвалы следует считать регенерацию отработанных ли­тейных песков. Использование регенератора обеспечивает сниже­ние расхода свежих песков, а также связующих и катализаторов. Разработанные технологические процессы регенерации позволяют регенерировать песок с хорошим качеством и высоким выходом целевого продукта.

При отсутствии регенерации отработанные формовочные смеси, а также шлаки необходимо использовать в других отраслях про­мышленности: отработанные пески - в дорожном строительстве в качестве балластного материала для выравнивания рельефа и устройства насыпей; отработанные песчано-смоляные смеси - для изготовления холодного и горячего асфальтобетонов; мелкую фракцию отработанных формовочных смесей - для производства стройматериалов: цемента, кирпича, облицовочных плиток; отра­ботанные жидкостекольные смеси - сырье для строительных це­ментных растворов и бетона; шлак литейного производства - для дорожного строительства в качестве щебня; мелкая фракция - в качестве удобрения.

Захоронение твердых отходов литейного производства целесо­образно проводить в овраги, отработанные карьеры и шахты.

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

В современной технике используют литые детали из очень многих сплавов. В настоящее время в СССР доля стального литья в общем балансе отливок составляет примерно 23 %, чугунного - 72 %. Отливки из сплавов цветных металлов около 5 %.

Чугун и литейные бронзы являются «традиционными» литей­ными сплавами, применяемыми с давних времен. Они не обладают достаточной пластичностью для обработки давлением, изделия из них получают литьем. Вместе с тем для получения отливок ши­роко используют и деформируемые сплавы, например, стали. Возможность использования сплава для получения отливок оп­ределяется его литейными свойствами.