Повышение качества изделий из порошковых материалов за счет использования магнитовибрационной технологии сепарации шлифовальных шламов подшипникового производ

На правах рукописи

Плотников Дмитрий Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ

МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

МАГНИТОВИБРАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ СЕПАРАЦИИ

ШЛИФОВАЛЬНЫХ ШЛАМОВ ПОДШИПНИКОВОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.16.06 – Порошковая металлургия

и композиционные материалы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2009

Работа выполнена на кафедре «Физика» Донского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Юрий Михайлович Вернигоров;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бадрудин Гасанович Гасанов;

кандидат технических наук, доцент

Николай Яковлевич Егоров

Ведущая организация: Таганрогский технологический институт южного федерального университета.

Защита диссертации состоится 21 мая 2009 г. в 10 часов на заседании совета Д212.304.09 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: ул. Просвещения, 132, г. Новочеркасск, Ростовская область, 346428

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « __» _____________ 2009 г.

Ученый секретарь

специализированного совета,

к.т.н., доцент Устименко В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований магнитовибрирующего слоя (МВС) и динамики переработки шлифовального шлама в зависимости от времени сепарации и параметров электромагнитного воздействия. Предложена опытно-промышленная технология сепарации шламов шлифовального производства подшипников для получения продуктов переработки высокой степени чистоты и последующего применения в сварочном и литейном производствах.

Актуальность темы. Любое производство, связанное с обработкой металлов, сталкивается с проблемой утилизации шламовых отходов. На предприятиях машиностроения и металлургии, осуществляющих обработку металлов, ежемесячно образуются тысячи тонн металлсодержащих шламов. Особенно сложен по составу шлифовальный шлам, который представляет собой смесь мелкой металлической стружки, абразива, технических масел, смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и т.д.

В то же время объем перерабатываемых промышленных отходов, в частности по Москве, составляет не более 10-15% от образующегося количества. Таким образом, сброс в отвалы металлсодержащих шламов приводит не только к безвозвратной потере значительного количества металла, но и создает серьезную экологическую проблему для городов, имеющих крупные градообразующие промышленные предприятия.

Проблема создания экологизированного ресурсосберегающего промышленного производства с каждым годом становится все более актуальной, что обусловлено сокращением и истощением природных запасов и увеличением их стоимости; ужесточением требований к экологической чистоте и безопасности производственных технологий.

В связи со значительным содержанием в металлсодержащих отходах машиностроительных и металлургических производств неметаллических включений и технических масел они не могут использоваться в качестве вторичного сырья без предварительной переработки. Частично решен вопрос утилизации стружки при использовании брикетирования. Однако, наличие на поверхности брикетированной стружки остатков технических масел и смазочно-охлаждающих жидкостей приводит не только к интенсивной коррозии металла, но и не исключает опасность самовоспламенения. Что касается шлифовальных шламов и отходов металлургических производств, то технологии их переработки и обогащения к настоящему времени недостаточно развиты для успешного внедрения на производстве.

На предприятиях, имеющих большие объемы шлифовального производства, в год скапливается до 1 тыс. тонн шлама. Решение вопроса известно – необходимо разложить шлам на составляющие. Экономическая целесообразность сепарации шламов шлифовального производства очевидна: тонна ультрадисперсного металла стоит от 60 до 250 тыс. руб., тонна абразива ~ 12 – 33 тыс. руб. Таким образом, утилизация шлифовального шлама может превратиться для предприятия в доходное производство.

Высказанные соображения обуславливают актуальность темы работы, посвященной разработке технологического процесса сепарации шламов шлифовального производства и дальнейшему возврату восстанавливаемых материалов.

Работа выполнена в соответствии с планом бюджетной работы кафедры физики ДГТУ по теме: «Магнитовибрационные технологии. Получение магнитных материалов»; комплексной научной программой «Вибротехнология»; научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» по разделу 05 «Функциональные порошковые материалы» (№202.05.01.026); научно-исследовательской работой по теме: «Исследование механики взаимодействия твердых тел, подвергнутых вибрационному воздействию» (ГАСНТИ: 30.03.15).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является разработка научных основ получения порошковых продуктов требуемого качества из шламовых отходов шлифовального производства с последующим их использованием, реализуемое магнитовибрационной технологией сепарации, а также разработка и проектирование соответствующего оборудования.

Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ принципов работы сепараторов, применяемых для переработки отходов лезвийной и шлифовальной обработки металлов.
2. Установление влияния параметров электромагнитного поля на состояние шлама в магнитовибрирующем слое (МВС), с целью определения режимов МВС, обеспечивающих эффективное разрушение конгломератов шлама.
3. Разработка последовательности технологических операций сепарации шлифовальных шламов подшипникового производства и проектирование опытно-промышленной установки, реализующей сепарацию шлифовального шлама в МВС.
4. Разработка рекомендаций по промышленному использованию полученных результатов и последующего применения продуктов сепарации шлифовальных шламов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые обоснована возможность применения МВС в качестве инструмента сепарации шлама шлифовального производства. Установлено, что при сепарации шлама в МВС с параметрами индукции постоянного поля 43 мТ и градиенте индукции переменного поля 0,648 Т/м сепарированная металлическая фракция шлама содержит менее 2% массы неметаллических включений за счет реализации процесса разрушения агломератов шлама в МВС, что значительно меньше, чем в магнитных сепараторах, эксплуатируемых к настоящему времени.
2. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм разрушения агломератов шлама в МВС. Показано, что в отличие от сепараторов постоянного поля, в которых увеличение индукции поля приводит к повышению устойчивости агломератов, в магнитовибрационном сепараторе при градиенте индукции магнитного поля более 0,32 Т/м разрушение агломератов, состоящих из частиц размером 100 мкм и 30 мкм, происходит за счет виброреологического перехода сухого трения в вязкое, при градиенте индукции магнитного поля более 0,62 Т/м разрушение конгломератов частиц того же размера, происходит за счет действия неоднородного переменного магнитного поля.
3. Впервые предложены зависимости градиента индукции магнитного поля, при котором происходит разрушение агломерата от времени сепарации, размера частиц в агломерате и магнитных свойств металлической фракции шлама. Показано, что максимальная чистота металлической фракции более чем в 2 раза превышает аналогичный показатель сепараторов с вращающимся магнитным полем и достигается для агломерата из частиц 30 мкм и 100 мкм при градиенте магнитного поля 0,65 Т/м и длительности процесса сепарации 200с.
4. Установлено, что время дробления шлама в бильной мельнице оказывает существенное влияние на чистоту продуктов сепарации. Так, при увеличении времени дробления с 10с до 30с содержание абразива в металлической фракции уменьшается с 10% до 1% масс. Магнитная фракция шлама, прошедшего дробление, содержит в 2 раза меньше абразива, чем при сепарации без дробления при одинаковых параметрах МВС и времени.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1. По результатам исследования предложена последовательность операций технологического процесса сепарации шламов шлифовального производства, позволяющая получать продукты переработки высокого качества. Разработана конструкция основных элементов магнитовибрационного сепаратора.
2. Разработана методика выбора оптимальных режимов электромагнитного поля, обеспечивающих интенсификацию процесса разрушения агломератов шлама и, как следствие, повышение качества продуктов сепарации.
3. Металлическая составляющая шлама использована в качестве компонента обмазки высококачественных электродов УОНИ-13/55 для дуговой сварки, что привело к повышению эксплуатационных характеристик. Абразив, полученный из шлама шлифовального производства, использован в качестве облицовочного материала форм для литья по выплавляемым моделям.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Результаты, полученные в работе, были применены при разработке технологии получения обмазки сварочных электродов постоянного тока марки УОНИ-13/55 с добавлением 16% стального порошка шлифовального шлама стали ШХ15, а также получение облицовочного слоя одноразовых корковых форм для литья по выплавляемым моделям из выделенного электрокорунда в условиях предприятий ООО НПЦ «Сварочные материалы» и ООО ЭП «Синтез-91».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 статьях и тезисах, 1 из которых в ведущих рецензируемых научных журналах, 1 работа выполнена без соавторов. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих международных и Всероссийских конференциях: Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2007», Одесса, март, 2007; 5-ая Международная конференция «Сотрудничество для решения проблем отходов» Харьков, апрель, 2008; Пятая международная конференция по высоким технологиям и фундаментальным исследованиям, 28-30 апреля 2008 г., Санкт-Петербург, Россия.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов; изложена на 129 страницах машинописного текста, включая 52 рисунка, 22 таблицы, список литературы 81 наименований, приложения на 6 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена оценка состояния решаемой проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы и показана ее практическая значимость.

Первая глава посвящена обзору литературных данных по теме диссертации и формулировке целей и задач исследования. Приведен анализ рассмотренных в литературном обзоре работ по исследованию технологий сепарации металлоотходов и, в частности, шлифовальных шламов и применение получаемых продуктов переработки.

В результате сделаны следующие выводы:

1. Сырьевые ресурсы металлоотходов весьма велики, а существующие методы их переработки, использующие в своей основе переплав металла, в большинстве случаев не позволяют осуществить их экономное использование.
2. Переработка металлоотходов методами порошковой металлургии позволяет поднять коэффициент использования металла до 90 – 95%, сократить потери легирующих элементов, получить значительный экономический эффект. Наращивание объемов переработки металлоотходов методами порошковой металлургии во всем мире должно происходить одновременно с развитием обычных методов получения порошков.
3. Использование порошков, получаемых из металлоотходов, для изготовления деталей конструкционного и антифрикционного назначения позволяет улучшить служебные характеристики деталей, расширить их номенклатуру. Перспективным является изготовление деталей из порошков, получаемых из металлоотходов, горячим деформированием – горячей штамповкой, экструзией.
4. В порошковой металлургии существует дефицит в дорогостоящей порошковой стали ШХ15, но существующие технологии переработки шлифовальных отходов подшипниковых производств не позволяют получать металлический порошок требуемого качества.
5. При работе с порошковыми материалами, характеризуемыми высокими силами межчастичного взаимодействия, такими как шлифовальный шлам, наиболее перспективным направлением ослабления межчастичного взаимодействия и разрушения порошковых агрегатов является создание МВС.

На основании выше перечисленного сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава. Приведены характеристики используемого шлифовального шлама, а также полученных из него материалов, оборудования, описаны методики проведения исследований.

Для изучения использовался шлифовальный шлам стали марки ШХ15, полученный на операциях финишного шлифования колец подшипников на ОАО «ГПЗ-10». Предложена методика воздействия постоянным и неоднородным переменным магнитными полями на порошковый материал для образования устойчивого МВС. Описаны методики измерения индукции и градиента индукции переменного магнитного поля с помощью индуктивного датчика.

Представлена принципиальная схема конструкции магнитовибрационного сепаратора для переработки шлифовального шлама в МВС. Магнитовибрационный сепаратор представляет собой совокупность механизмов, выполняющих технологическую последовательность операций переработки шламов шлифовального производства. На рис. 1 приведена блок-схема магнитовибрационного сепаратора. Она состоит из блока отделения СОЖ (1) – подогреваемый резервуар из немагнитного материала с наведенным постоянно-переменным магнитным полем. Отделившаяся СОЖ сливается в маслосборник (5). Далее идет блок сушки (2), состоящий из шнека проходящего сквозь керамическую камеру сушки. Блок измельчения и просева (3) состоит из бильной мельницы с наводимым МВС в камере и сита. Заключительным этапом является блок разделения абразива и металлического порошка (4), состоящий из переменного и постоянного электромагнитов с разомкнутыми магнитопроводами силовые линии, которых направлены перпендикулярно друг другу. В межполюсном пространстве помещена кювета из органического стекла, в которой производится магнитовибрационное псевдокипение шлифовального шлама.

Установлено, что время дробления шлама в бильной мельнице оказывает существенное влияние на чистоту продуктов сепарации. Так, при увеличении времени дробления с 10с до 30с содержание абразива в металлической фракции уменьшается с 10% до 1% масс. Магнитная фракция шлама, прошедшего дробление, содержит в 2 раза меньше абразива, чем при сепарации без дробления при одинаковых параметрах МВС и времени (рис. 2).

Насыпная плотность, полученной на экспериментальной установке сепарации стали ШХ15, составляет 1,5 г/см3. Это в 1,5 раза выше, чем насыпная плотность аналогичной марки стали (ШХ15) с операции шлифования подшипниковых колец сепарированных ранее другими разработчиками.

Проверка на текучесть через воронку с 2,5 мм отверстием (ГОСТ 12601-76) показала, что стальной порошок, полученный магнитовибрационной сепарацией шлифовального шлама, не течет.

Третья глава посвящена построению теоретической модели разрушения агломератов шлифовального шлама в магнитовибрирующем слое. Из возможных моделей разрушения порошковых кластеров в магнитовибрирующем слое рассмотрены две:

• разрушение за счет виброреологического эффекта, то есть кажущегося перехода сухого трения в вязкое;
• разрушение за счет разрыва агломерата в неоднородном магнитном поле пондеромоторными силами.

Для первой модели формула необходимого градиента индукции переменного поля для разрушения агломерата шлама получалась следующим образом. Со стороны неоднородного переменного поля на агломерат действует гармоническая сила Fv.

; , (1)

где – угол между вертикальной осью и магнитным моментом Pm малого агломерата, dB/dy – изменение индукции магнитного поля вдоль вертикальной оси, F0 – сила взаимодействия в агломерате.

, (2)

где f1 – коэффициент трения покоя.

Коэффициент трения для взаимодействующей пары агломератов шлама для случая вертикальной ориентации переменной силы, равен:

, (3)

, (4)

, (5)

. (6)

Выражение (6) с учетом приближения кластера эквивалентной сферой, а также

,

можно записать в виде:

, (7)

где r – радиус малой частицы, R – радиус крупной частицы, 0 – магнитная постоянная (1,25·10-6 Гн/м), f1 – коэффициент трения покоя (0,85), Pm – магнитный момент малой частицы, – угол между верт. осью и вектором магнитного момента большой частицы.

По результатам расчета построена зависимость градиента индукции неоднородного переменного поля, необходимого для разрушения агломерата шлама, состоящего из частиц разного размера (рис.3).

Условие разрушения кластеров по модели разрыва агломерата в неоднородном поле определялось следующим образом. Магнитный кластер совершает сложное движение, описываемое уравнениями:

,

, (8)

где – индукция переменного магнитного поля, – индукция постоянного поля, k и µ - коэффициенты сопротивления среды поступательному и вращательному движениям соответственно.

При составлении системы (8) приняты следующие допущения:

– монодисперсная система сферических частиц агломерирована адгезионными и магнитостатическими силами в одинаковые агрегаты с магнитным моментом ,

– магнитный момент частицы связан с кристаллической решеткой настолько жестко, что его ориентация в магнитном поле приводит к повороту всей частицы;

– устойчивый режим магнитокипения может наблюдаться при выполнении соотношения ;

– диссипация энергии в магнитокипящей дисперсной фазе компенсируется подкачкой энергии из магнитного поля;