Как правило, стружка переплавляется в дуговых печах, но использование такого агрегата влечет за собой высокий угар легирующих элементов, что требует дополнительного легирования ферросплавами. Применение дуговых печей постоянного тока при переработке стружки за счет снижения фликкер-эффекта и оптимизации других параметров процесса позволяет увеличить выход годного, но не решает полностью проблему переработки таких отходов. Также, с одной стороны, металлическая стружка наименее привлекательный материал для скупщиков лома, ее стоимость на рынке вторичных металлов невелика, транспортировка из-за малой насыпной плотности обходится достаточно дорого, а с другой стороны обрабатывающие предприятия отдают свои отходы по минимальной цене, так как отсутствует приемлемая технология по переработке стружки на своей территории.

Отход металла в стружку составляет 25 – 40 % при изготовлении деталей машин и механизмов из заготовки. Переработка стружки по известным технологиям при переплаве в обычных топливных и электрических печах требует больших затрат (необходимы операции подготовки, очистки, пакетирования стружки) и приводит к значительным потерям металла вследствие угара, который достигает 20 – 30 %.

Имеется множество технологий, позволяющих переплавлять металлическую стружку, и предлагаемая схема по переработке стружки в печах электрошлакового переплава может являться альтернативой существующим и применяться в тех случаях, когда ее использование оказывается экономически более выгодным и технологически обоснованным. Особенно актуальной такая технология будет для процесса электрошлакового производства трубной арматуры и деталей трубопроводов (фланцев, отводов) [1-5]. В последнее время количество предприятий производящих такие изделия постоянно увеличивается, но, как правило, электрошлаковая установка это единственный плавильный агрегат в их производственных мощностях. В данной работе рассмотрена альтернативная схема по переработке металлической стружки непосредственно в печи электрошлакового переплава (рис.1). Данная схема может быть использована как при плавке с использованием тигля и разливке  с использованием машин центробежного литья, так и при плавке в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Рис. 1. Схема рециклинга металлической стружки

Следует отметить, что многие исследователи поднимали в своих работах вопрос переплава металлической стружки в печах ЭШП. В основном, исследования процесса рециклинга в печи ЭШП можно разделить на два различных направления – с предварительным брикетированием стружки [6-8] и с присаживанием шихтовых материалов непосредственно на поверхность шлаковой ванны. В части данных работ изложена только практическая часть по процессу переплава [9-11], при этом полученные выводы не отвечают на многие вопросы связанные непосредственно с процессом переплава, в частности, как происходит плавление шихтовых материалов, а также влияние их фракционного состава на производительность. В других работах, наоборот, исследуются физико-химические особенности процесса рециклинга, в частности изменение химического состава в процессе переплава из-за угара металла [12, 13]. Также имеются работы в которых изложены как технологические, так и физико-химические особенности рециклинга стружки в печах электрошлакового переплава с использованием нерасходуемых электродов [14-16]. Настоящая работа рассматривает механизм расплавления металлических отходов в виде стружки в шлаковой ванне. Все приведенные выше работы не рассматривают в какой именно момент происходит плавление при использовании в качестве шихтовых материалов металлической стружки.

Одним из вариантов исследования процесса плавления является построение математической модели и решение задачи теплопереноса с фазовыми переходами. Но данный способ является достаточно сложным из-за одновременного существования сразу 3 фаз: твердый металл, жидкий металл, жидкий шлак. Также возможно кратковременное образование 4 фазы – твердый шлак на поверхности стружки (процесс намерзания шлака на металл). Для упрощения математическую задачу можно свести к существованию 2 фаз: твердый и жидкий металл, но примененный в данной работе экспериментальный способ наиболее оптимален для установления параметров процесса плавления стальной стружки в шлаковой ванне, и позволяет установить требуемые данные практическим путем.

Исследование процесса поведения подобных материалов в шлаковой ванне является достаточно затруднительным из-за высокой температуры шлаковой ванны и пылегазовых выделений. В нашем случае для переплава металлической стружки используется печь электрошлакового переплава с бункером для шихтовых материалов, системы дозации и полого графитированного электрода – данная конструкция оборудования занимает весь объем кристаллизатора установки ЭШП, что делает прямое наблюдение невозможным (рис.2). Поэтому оптимальным вариантом для данного эксперимента является применение печи Таммана. Данный агрегат позволяет наблюдать за процессом расплавления стружки на поверхности, т.к. в конструкции отсутствует электрод, а также имеется возможность регулировать температуру шлаковой ванны в достаточно широких пределах.

Рис. 2. Схема установки электрошлакового переплава:

1- механизм перемещения электрода; 2 – кристаллизатор; 3 – поддон; 4 – бункер для шихтовых материалов; 5 – дозатор; 6 – электропривод; 7 – воронка; 8 – шнековый питатель; 9 – полый нерасходуемый электрод; 10 –источник питания.

Для изучения этого процесса была проведена серия экспериментов с использованием стружки различного фракционного состава (рис.3). В проведенном исследовании стружка предварительно дробилась и очищалась от смазочно-охлаждающей жидкости, затем присаживалась непосредственно на поверхность шлаковой ванны. Процесс расплавления фиксировался с помощью приборов фото-видео съемки (рис. 4). Дробление стружки является обязательным условием, т.к. при отсутствии данной операции поступление шихты в зону плавления будет затруднено, а во многих случаях невозможно. Используемые тигли были изготовлены из графита, т.к. применение алундовых тиглей обычно применяемых в печи Таммана невозможно из-за высокой температуры шлаковой ванны и активности применяемого флюса.

Рис. 3. Варианты используемой стружки.

В ходе работы выявлено, что стружка плавится находясь ещё на поверхности шлаковой ванны и не опускается в нее до момента полного расплавления погруженной части. При этом независимо от количества шихтового материала, находящегося над поверхностью шлаковой ванны не происходит погружения стружки под давлением насыпного слоя. Данное условие сохраняется только для используемой установки и промышленных электрошлаковых печей, высота кристаллизатора в которых, как правило, не слишком высока, в отличие от переплава стружки в дуговых сталеплавильных печах. Также малозначительно влияние вязкости шлака на погружение стружки в металл. При стандартной температуре процесса электрошлакового переплава (1700 – 2000 °С) вязкость шлака низка, но шихтовые материалы из-за малой насыпной плотности не погружаются до полного расплавления.

На основе проведенного и предыдущих исследований можно сказать, что размер отдельной частицы незначительно влияет на количество металла расплавленного в единицу времени. Таким образом, процесс переплава в ЭШП возможен при использовании в качестве шихты всех вариантов стружки представленных на рис. 3.

а                                         б                                             в

г                                         д                                             е

Рис. 4. Плавление стружки в шлаке. Секунд после погружения шихты в шлаковую ванну: а – 3; б – 4; в – 6; г – 8; д – 10; е – 14.

На основе полученных данных была проведена серия экспериментов непосредственно на печи ЭШП. Переплав проводился на лабораторно-промышленной установке, разработанной на основе печи электрошлакового переплава А-550У в соответствии со схемой приведенной на рис.1. Главное отличие данной установки – полый  электрод, который позволяет присаживать стружку в центральную, наиболее горячую зону шлаковой ванны. Технологические параметры установки подбирались таким образом, чтобы массовая скорость переплава стружки с применением нерасходуемого графитированного электрода находилась на одном уровне по сравнению с классической технологией, когда используется расходуемый стальной электрод, что позволило достичь оптимальной производительности.

В результате были получены слитки массой около 15кг (рис.5). Полученный слиток имел однородную плотную структуру, усадочная раковина практически отсутствовала. На поперечном разрезе слитка включения в виде нерасплавившихся частиц стружки или шлака отсутствовали, визуально он не отличался от слитка полученного переплавом обычного стального электрода.

Единственным недостатком слитка можно считать образование так называемого «гофра», в донной части слитка. Как правило, это происходит при сбросе мощности выделяемой в шлаковой ванне, но в данном случае это связано с тем, что выделяемое в шлаке тепло расходовалось на расплавление новых порций наводимого шлака. Имеющаяся неровность поверхности является спецификой плавки с «твердым стартом».

Рис.5. Слиток электрошлакового переплава стружки.

В качестве шлаков в процессе переплава были использованы АНФ-6, АН-29 и АНФ-32 (табл.1).

Таблица 1. Химический состав шлаков

После проведения плавок из разных частей полученных слитков были изготовлены образцы для проведения химического анализа на содержание углерода, т.к. возможно науглероживание металла в процессе переплава (табл.2).

Таблица 2. Содержание углерода в слитке.

Содержание углерода оказалось приемлемым только при использовании шлака АНФ-32, в составе которого дополнительно введен оксид кремния. Следует отметить, что влияние содержания кремния на науглероживание металла было подробно изучено специалистами Института электросварки им Е.О. Патона, в результате чего ими был разработан шлак АНФ-34 с ещё более высоким содержанием кремния (от 8 до 15%), который рекомендуется для электрошлаковой обработки сталей и сплавов [14, 15]. По данным ИЭС. им. Е.О. Патона данный флюс значительно снижает возможность науглероживания металла, но, в то же время отсутствуют  исследования о влиянии высокого содержания оксидов кремния в составе шлака на качество выплавляемого металла.

Проведенные макро и микроанализ полученных слитков не обнаружили металлической стружки в структуре выплавленного металла. На основе металлографического исследования был сделан вывод, что при использовании шлаков АНФ-6 и АНФ-32 более 80% включений имеют размер от 4 до 12мкм (рис.6). Включения имеют остроугольную форму, что подтверждает их оксидное образование.

Рисунок 6 – Неметаллические включения (Х500)

При использовании шлака АН-29 результаты оказались неудовлетворительными, т.к. количество включений из оксидов алюминия значительно превышало требуемое. Столь высокое содержание включений, а также повышение содержания углерода более чем на 1% привело к появлению трещин в продольном сечении слитка.

Химический анализ слитка выплавленного на флюсе АНФ-32 показал полное соответствие химическому составу стали 35ХГСА, стружка которой использовалась в процессе переплава, а науглероживание металла от графитированного электрода находится в допустимых пределах в соответствии с ГОСТом для данной марки стали (табл. 3).

Таблица 3. Исследование химического состава слитка.

Выполненные исследования показывают, что использование печи электрошлакового переплава как одного из способов рециклинга металлической стружки возможно, а предлагаемая технологическая схема имеет следующие преимущества перед классической многостадийной схемой переплава с использованием дуговой сталеплавильной печи:

– уменьшен угар металла и легирующих элементов;

– сокращено количество стадий получения конечного металла;

– снижен расход электрической энергии;

– возможна переработка металлической стружки в местах ее непосредственного образования.

В дальнейшем планируется провести исследования плавления металлической стружки непосредственно в слое шлака, т.к. имеется предположение, что при значительном увеличении толщины стружки она не будет успевать расплавляться на поверхности и в верхней части шлаковой ванны, а также изучить влияние оксидов кремния в составе флюса на качество выплавляемого металла.

Но при проведении реновации поднимается один важный и острый вопрос по утилизации строительных отходов. Главный способ снижения строительных отходов — их переработка и дальнейшее использование. Переработка становится не просто экологически выгодной, но и экономически эффективной.

Цели исследований: Доказать, что повторное использование строительных материалов, изделий и конструкций ,образующихся после сноса зданий и сооружений, является актуальной задачей, которая стоит перед учеными , инженерно-техническими работниками , работающих в строительной сфере.

Утилизация строительных отходов

В настоящее время выделены несколько способов утилизации строительных отходов из которых необходимо выбрать наиболее экономический и экологический вариант:

а) вывоз строительного мусора на полигоны(рисунок 1).

Является самым экологически небезопасным методом От такого метода сейчас большинство развитых стран мира отказываются. Данный метод чаще всего используется при механизированном и взрывном сносе зданий и сооружений;

Рисунок 1.- Строительный мусор ,который образовывается на свалках.

б) рециклинг строительных отходов (умный снос) (рисунок 2).

Основной объем строительного мусора после демонтажа здания составляет железобетон, бетон и кирпич. Отходы сортируются специализированной техникой. Крупногабаритные материалы крошатся и далее перерабатываются в дробилках, которые находятся прямо на площадке. Продуктом рециклинга является щебень, который широко используется для отсыпки технологических дорог, заполнения пазух котлованов, устройства дренажа на болотистых территориях.

Рисунок 2.- Современный комплекс по дроблению строительного мусора

в) Повторное использование строительных материалов, образующихся после поэлементного сноса знаний и сооружений

При обследовании несущей способности строительных материалов, изделий и конструкций, образующихся после сноса было выявлено, что несущая способность красного кирпича со сроком службы более 100лет колебалась в пределах от марки М50 до марки М100, прочность силикатного кирпича со сроком службы 40 и более лет соответствует маркам М50-М125, прочность бетона колебалась от класса В20 до класса В90, то есть превышала проектную прочность в 1,5-3 раза, прочность арматуры в ж/б конструкциях со сроком службы 40 и более лет на 5-10% превышала исходную[2]. Согласно [2]материалы изделия и конструкции, имеющие такие прочностные показатели, могут повторно использоваться по своему прямому назначению. Каменные и деревянные материалы, полученные при поэлементном сносе, после их обследования применяются без ограничений . Сборные железобетонные конструкции и изделия с шарнирным креплением после обследования и подтверждения работоспособности могут использоваться в несущих конструкциях здания по своему прямому назначению. Монолитные и сборномонолитные Ж/б конструкции при поэлементной разборке изменяют свои размеры и поэтому из рационально использовать в качестве конструктивных элементов фундаментов малоэтажных зданий и сооружений.

Исследовав наиболее применяемые способы утилизации строительных отходов , можно сделать вывод о том, что повторное использование строительных отходов является наиболее эффективным и экологичным вариантом[4],[5],[6],[7].

Имеются патенты РФ [3] , где в качестве фундаментов под малоэтажные здания , используются ребристые плиты покрытия , образовавшиеся после сноса зданий и сооружений (рисунок 3).

Рисунок 3.- Конструкция стенчатого фундамента.

Технология устройства фундамента из б/у железобетонных ребристых плит

Технология устройства фундамента включала в себя следующие этапы:

· Осмотр ж/б конструкций специалистами на предмет их рационального использования;

· поиск заказчиков на строительство малоэтажных зданий с применением бывших в употреблении строительных материалов и конструкций;

· инженерный надзор за сносом и сортировкой образующихся строительных материалов и конструкций (рисунок 4);

Рисунок 4.- Сортированные железобетонные б/у плиты перекрытия.

· определение прочностных характеристик материалов, образовавшихся в результате разборки зданий (рисунок 5);

Рисунок 5.- Определение прочностных показателей ж/б конструкций неразрушающим методом.

· проектирование и расчет конструкции зданий с применением бывших в употреблении ж/б строительных материалов и конструкций;

· инженерный надзор за проведением строительных работ по строительству малоэтажных зданий (рисунок 6).

Рисунок 6.- Устройство стенчатого фундамента из ранее использованных железобетонных ребристых плит.

Использование предложенного авторами [3] технического решения позволит:

· снизить вес конструкции , расход стальной арматуры и бетона, благодаря применению в конструкции фундаментов ребристых железобетонных конструкций заводского изготовления, а не сплошных железобетонных плит ;

· возможность повторного использования бывших в эксплуатации ребристых плит перекрытий (покрытий), имеющих дефекты, трещины, сколы, начавшуюся коррозию арматуры, которые появляются после демонтажа промышленных объектов, изготовленных в заводских условиях;

· высокая производительность и качество проделанных работ в летнее и зимнее время;

· значительное уменьшение стоимости устройств сборно-монолитных фундаментов за счет использования бывших в употреблении железобетонных ребристых плит перекрытий (покрытий);

· значительное снижение объема перевозки применяемых бывших в употреблении материалов позволяет сэкономить средства на транспортировку, особенно на дальние расстояния;

· снижение сроков проведения работ по устройству фундаментов.

5.Выводы

1. Технология поэлементной разборки зданий и сооружений является наиболее эффективной и экологичной в настоящее время, так как дает возможность переработки и повторного использования строительных материалов, которые остаются в результате демонтажа зданий и сооружений и позволяет  сортировать отходы по группам: стекло, дерево, пластик, металл, фаянс, кирпич, ж/б конструкции.
   
2. Повторное использование строительных материалов, образующихся после сноса знаний и сооружений , позволяет резко уменьшить объемы строительных отходов ,вывозимые на мусорные полигоны.
   
3. Использование бывших в употреблении железобетонных ребристых плит покрытия в качестве плитных фундаментов и подпорных стен позволяет резко снизить вес конструкций и стоимость производства работ.

Твердый стальной шлак имеет как блочную, так и сотовую форму. Бывший стальной шлак обладает блеском; последний не блестящий и более хрупкий. Удельный вес стального шлака зависит от вязкости, поверхностного натяжения жидкого стального шлака и количества содержащегося диоксида железа, черных металлов и пористости. Содержание влаги в стальном шлаке составляет 0,2–2,0%, удельный вес — 3,2–3,6, прочность на сжатие — от 169 до 300 МПа (43,5 фунта на квадратный дюйм), а число по шкале Мооса — от 5 до 7. Измельчаемость стального шлака ниже, чем у доменного шлака. Твердость и удельный вес выше, чем у доменного шлака. Как и шлак доменной печи с воздушным охлаждением, стальной шлак обладает превосходными свойствами сопротивления скольжению. Некоторые основные физические свойства стального шлака приведены в таблице 1.

Таблица 1. Физические свойства стального шлака

Шлаки при производстве чугуна и стали неизбежно образуются как побочный продукт процессов производства чугуна и стали. Основными компонентами шлаков являются CaO, SiO2, Al2O3, MgO и оксиды железа, состав шлаков зависит от процесса. В  основном производятся три типа шлаков, а именно доменный шлак, конвертерный шлак и шлак ЭДП, а типичные составы каждого шлака приведены в таблице 2. Основным компонентом доменного шлака являются SiO2 и Al2O3, поступающие из железной руды в виде пустой породы, а также CaO, добавляемый в качестве флюса в процессе спекания. С другой стороны, конвертерный шлак в основном содержит CaO, добавленный в качестве рафинирующего агента, а также SiO2 и оксиды железа, полученные в процессе окислительного рафинирования. Шлак ЭДП подразделяется на два типа: окислительный шлак и восстановительный шлак, которые образуются при рафинировании стали и восстановлении оксида железа до металлического железа соответственно.

Объем коммунальных твердых бытовых отходов в Карагандинской области составляет 7,7 млн. тонн на 213 полигонах.

По активности использования отходов на предприятиях области. «На отдельных производствах ТОО «Корпорация Казахмыс» доля обратного использования доходит до 67%, на АО «АрселорМиттал Темиртау» – от 9 до 40 %», – отмечает отдел статистки и надзора области.

Таблица 2- Типичные составы доменного шлака, конвертерного шлака и электросталеплавильного шлака (мас.%) [80]

Составы шлаков, захваченных из компонентов пустой породы, зависят от состава сырья, в то время как составы других компонентов, добавляемых в качестве флюса для процессов рафинирования, предназначены для максимизации его производительности при рафинировании, и, таким образом, существует большое разнообразие компонентов и составов шлаков. Образуется около 300 кг/тонну чугуна и 100 кг/тонну стали доменного шлака и сталеплавильного шлака (конвертерного или ЭДП-шлака).

Около 80%  шлака доменной печи закаливается распылением воды, а полученный закаленный шлаковый песок доменной печи используется в основном для производства цемента, бетона и гражданского строительства. Остальное охлаждается полевым воздушным охлаждением, а медленно охлажденный шлак используется в качестве ресурса для дорожного строительства, крупного заполнителя бетона и т. д. Напротив, поскольку сталеплавильный шлак содержит капли железа в количестве нескольких процентов по весу, шлак не может быть закален разбрызгиванием воды. Поэтому шлак обрабатывается путем воздушного охлаждения, а затем измельчается и сортируется. Капли железа извлекаются с помощью магнитной сепарации, а оставшийся шлак продается для различных целей, таких как гражданское строительство, цемент или бетонные ресурсы. Шлак доменной печи полностью перерабатывается, а небольшая часть сталеплавильного шлака не может быть утилизирована из-за выделения опасных элементов, таких как тяжелые металлы или фтор. Разработка новых технологий использования такого шлака является важным решением по сокращению количества шлака, выбрасываемого на свалки без какой-либо утилизации.

Что касается мер по снижению нагрузки на окружающую среду шлаками, образующимися в процессах производства чугуна и стали, рассматриваются следующие два метода. Во-первых, это сокращение количества образующихся шлаков за счет разработки высокоэффективных процессов. Металлургические шлаки до сих пор в основном разрабатывались для увеличения производительности переработки в зависимости от шлаков. Недавние разработки процессов и шлаков основаны не только на улучшении нефтеперерабатывающих мощностей, но и на снижении нагрузки на окружающую среду, например, уменьшении количества шлака, прекращении использования опасных элементов или разработке процесса, который генерирует перерабатываемые -продукты (шлаки). Второе мероприятие — разработка нового способа использования шлака как ресурса. Метод использования шлаков производства чугуна и стали как богатого ресурса должен быть развит путем создания новых функций и дополнительных ценностей. А именно использование техногенных отходов для получения огнеупорных материалов в качестве одного из компонентов футеровки металлургических печей.