Журнал "Металлургия машиностроения" № 4 - 2013

В статье показана актуальность переработки и утилизации промышленных отходов (ПО), приведена схема их применения в литейно-металлургических технологиях (ЛМТ). Рассмотрен порядок действий при выборе вариантов использования техногенных отходов, в зависимости от их вида и химсостава, при приготовлении расплавов, формовочных и стержневых смесей, многофункциональных покрытий.

В настоящее время значительное количество отечественных предприятий испытывают трудности с утилизацией и переработкой отходов собственного производства. Хранение ПО на свалочных полигонах требует от предприятий не только значительных финансовых затрат на их содержание и обслуживание (оплату земельных участков под действующие и вновь создаваемые полигоны), оплаты штрафов, выставляемых контролирующими организациями за нарушение условий хранения (превышение объема вывоза, несоответствие составов отходов заявленным в паспортах), но и, что не менее важно, ведет к ухудшению санитарно-гигиенического состояния окружающей среды и созданию нездоровой экологической обстановки.

В последнее время в нашей стране и во всем мире прослеживается тенденция к переработке и утилизации отходов, образующихся при прохождении производственных циклов в разных отраслях промышленного производства. Так, по данным по Москве, за период с 1999 по 2001 гг. доля перерабатываемых ПО увеличилась вдвое и составила 30%, в то же время количество отходов, захороненных на полигонах, сократилось с 65 до 45% [1].

Наиболее известные области применения переработанных материалов (по количеству примеров и объему): жилищное и дорожное строительство, сельское хозяйство, товары народного потребления, повторное использование в разных отраслях промышленного производства (рециклинг отходов). Такой подход, кроме всего прочего, позволяет решить, в частности, для заготовительных производств, проблему замены дорогих и дефицитных материалов более дешевыми и доступными, без потерь качества получаемых заготовок.

Так, например, известны следующие примеры использования ПО в ЛМТ [2]:

• доменный шлак может применяться:в технологии шлакокаменного литья;
• конвертерный и мартеновский – в качестве флюсов металлургической шихты;
• шламы газоочисток за металлургическими печами могут использоваться в качестве сырья на самом металлургическом предприятии, агломерата или окатышей в качестве шихты на металлургических предприятиях.

В то же время, схемы работы с техногенными отходами в ЛМТ, известные в настоящее время, носят узконаправленный и частный характер и не позволяют выбрать алгоритм комплексной предварительной экспертизы материала (отхода) и оптимальной базовой ЛМТ для его применения.

В работе авторы попытались систематизировать накопленный опыт применения ПО в ЛМТ и представить последовательность действий решения этой проблемы в виде некоторого алгоритма, претендующего на универсальность, проиллюстрировав его блок-схемой (рисунок). В основе такого алгоритма, по нашему мнению, должны лежать, как минимум, две базы данных (БД): имеющихся видов техногенных отходов и возможных базовых ЛМТ. БД по техногенным отходам , пригодным к использованию в ЛМТ, формируется в результате:

• анализа литературных источников;
• патентного поиска;
• оценки работы основных и вспомогательных технологических операций заготовительных производств;
• совместных поисковых и прикладных научно-исследовательских работ кафедры «Литейнометаллургические процессы и сплавы» ФГБОУ ВПО Нижегородский ГТУ с промышленными предприятиями по вопросам утилизации их собственных отходов.

БД возможных базовых ЛМТ, в которых могут быть эффективно использованы ПО, обычно формируется исследователями:

• по опыту ранее проведенных собственных работ;
• по результатам патентного поиска и литературного обзора профильных изданий.

В этой БД целесообразно выделить три основные группы технологий:

• приготовление расплавов, включая их внепечную жидкофазную обработку (например, рафинирование, модифицирование, легирование металлических расплавов или литье неметаллических материалов);
• изготовление литейных форм (например, наполнитель, связующее или добавки в составах формовочных и стрежневых смесей);
• финишная обработка литых заготовок (например, технологические добавки для облегчения выбивки форм и стержней, составы грунтовочных покрытий);

а также в качестве покрытий разного функционального назначения (наполнитель, растворитель, добавки).

Первый шаг на пути изучения конкретного ПО – получение первичной информации о его состоянии на момент образования. Материал идентифицируется по внешнему виду:

• жидкие (шламы, эмульсии, суспензии, пульпы);
• твердые (листы, куски, габаритный лом);
• сыпучие (стружка, пыль, щебень, гранулы).

Далее по информации от предприятия-производителя анализируется паспорт отходов, где, кроме прочего, указываются данные поэлементного и компонентного анализа химсостава. В некоторых случаях требуется уточнить результаты такого анализа (если, например, свойства свежеообразованных отходов отличаются от свойств проб, взятых со свалочных полигонов).

Первичная информация о качественном химсоставе отхода позволяет сделать выводы о содержании в нем веществ, перспективных для использования в ЛМТ, а также, в первом приближении, оценить экологическую безопасность возможного применения в конкретной ЛМТ. Если в ПО отсутствуют вещества, которые можно использовать в ЛМТ, исследование прекращается; если они присутствуют, а опасные для здоровья отсутствуют, то делается вывод о возможности использования отходов в ЛМТ.

Далее, как и в случае наличия в изучаемых ПО опасных для здоровья веществ, необходимо уточнить поэлементный и компонентный (количественный) их химсостав, по результатам которого определяется содержание, %, опасных веществ, а также потенциально полезных для конкретной ЛМТ элементов и соединений.

Информация о содержании опасных веществ позволяет сравнить его с допустимыми для здоровья человека пределами. Если оно – в допустимых пределах, то уточняется возможность и области использования ПО в ЛМТ.

Если же содержание опасных веществ выше допустимого, оценивают техническую возможность и экономическую целесообразность их нейтрализации или снижение их доли. Если нейтрализация или снижение содержания опасных веществ технически возможны и экономически целесообразны, после их проведения возвращаются к уточнению возможности использования ПО в ЛМТ, с выбором области применения. В противном случае, исследования прекращают.

За уточнением возможности использования отходов в ЛМТ, с определением области применения, следуют:

• анализ необходимости подготовки ПО перед использованием в ЛМТ;
• проверка наличия в исследуемых отходах преобладающих элементов и соединений для привязки к конкретным ЛМТ.

Анализ необходимости под готовки от ходов перед использованием в ЛМТ эквивалентен проверке условия: «применение отходов в ЛМТ не требует предварительной подготовки (состояние поставки)».

В лабораторных условиях проверяется технологичность материала отходов на предмет его применения в конкретной ЛМТ. Если ПО требуют подготовки, то следующий этап – разработка мероприятий по их под готовке к использованию в ЛМТ, с выбором и указанием перечня операций, их назначения и места в технологической цепочке.

Подготовка ПО в ряде случаев может оказаться слишком затратной, поэтому следующий шаг в схеме – анализ экономической составляющей этой операции. Результаты этого анализа выражаются в виде проверки условия: «подготовка отходов экономически выгодна». Если оно не выполняется, исследования прекращают, положительный же ответ приводит нас (параллельно с выводом об отсутствии необходимости подготовки отходов для использования в ЛМТ) к выбору направления использования отходов.

Проверка условий наличия преобладающих элементов и соединений в исследуемых отходах проводится для их привязки к конкретным ЛМТ. Основная задача на этой стадии – выявление групп элементов или классов химических соединений, имеющих повышенную массовую долю в составе отходов. Основываясь на опыте ранее проведенных работ, авторы статьи предлагают следующий выбор ЛМТ, в зависимости от преобладания отдельных групп элементов или классов соединений.

• Если в составе отхода преобладают галогениды , то предлагается его применять для рафинирующе-модифицирующей обработки Al-сплавов.
• Если преобладают оксиды, гидроксиды, кислоты, то это определяет варианты применения материала в составах смесей для литейных форм и стержней; смесей со специальными свойствами (термитных и экзотермических смесей с высокой теплоаккумулирующей способностью и др.); покрытий различного функционального назначения (в том числе, многофункциональных).
• Если преобладают металлы , то предлагается их применять: для металлических расплавов в качестве шихты, компонентов составов для рафинирующей или модифицирующей обработки или легирующих смесей; в качестве компонентов смесей со специальными свойствами (термитных и экзотермических, смесей с высокой теплоаккумулирующей способностью и др.).

Далее испытаниями в лабораториях НИИ и вузов, ЦЗЛ экспериментально проверяют ранее выдвинутые и теоретически обоснованные предложения варианта использования отхода в конкретных ЛМТ. Если испытания не дают положительных результатов, проводится корректировка опытных составов или, как альтернатива, повторная проверка отходов на полезные элементы,

вещества и соединения. Дальнейший порядок действий – по уже описанной схеме.

После успешных лабораторных испытаний материалов – этап промышленного опробования разработанной ЛМТ, когда разработку, помимо ее технологичности в условиях производства, со-ответствующая служба предприятия обязательно проверяет на экологическую безопасность. Это вызвано возможным образованием, при контакте с металлическими расплавами или материалами, используемыми в ЛМТ, с исследуемыми отходами, вредных и опасных веществ в количествах, превышающих предельно-допустимые концентрации ( ПДК) рабочей зоны цеха. Если содержание вредных и опасных веществ рабочей зоны цеха не превышает ПДК, работа заканчивается внедрением разработки. В противном случае, необходимо обратиться к этапу оценки технической возможности и экономической целесообразности нейтрализации или снижения содержания опасных веществ. Дальнейшая работа проводится по описанной выше схеме. Окончательное решение об использовании разработки в действующем производстве принимается руководством предприятия по итогам всех полученных результатов.

Описанная схема показала свою работоспособность в прикладных работах авторов, связанных с применением ПО в литейном производстве ряда предприятий Нижегородского региона, например, при использовании металлургических шлаков от производства вторичного алюминия в противопригарных покрытиях литейных форм и стержней для стальных и чугунных отливок [3] и шламовых отходов производства поливинилхлорида в составах формовочных и стержневых смесей [4, 5].

Рис. 1. Блок-схема повторного применения ПО в ЛМТ

Список литературы

1. Проблемы утилизации отходов. Обзорная справка / Отдел аналитического сопровождения законодательной деятельности информационно-аналитического Управления Московской городской Думы; Сост. Белоусова Е.Е. – Электрон. дан. – М.: Гильдия экологов, 2013. – Режим доступа: http://www.ecoguild.ru/docs/utilothodov.htm, свободный. – Загл. с экрана. – Яз. рус.
2. Буторина И.В. Утилизация промышленных и бытовых отходов. – Мариуполь: Стратегия, 1999. – 150 с.
3. Леушин И.О., Грачев А.Н. Разработка эффективных противопригарных покрытий литейных форм на основе алюмошлаковых наполнителей // Литейное производство. – 2002. – №4. – С. 13–14.
4. Леушин И.О., Грачев А.Н., Алексеенко А.Л. Техногенные отходы производства ПВХ как исходный материал для изготовления литейных форм и стержней // Materialy VII Miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2011» Vol. 54. Techniczne nauki.: Przemysl. Nauka i studia - 112 str. – С. 14–16.
5. Леушин И.О., Грачев А.Н., Алексеенко А.Л. Применение отходов производства поливинилхлорида в литейно-металлургических технологиях // Заготовительные производства в машиностроении. – 2013. – №3. – С. 3–7.

Сведения об авторах

Грачев Александр Николаевич – канд. техн. наук, доцент, зам. зав. кафедрой «Литейно-металлургические процессы и сплавы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».

E-mail: alexgra76@mail.ru

Леушин Игорь Олегович – д-р техн. наук, профессор, заведующий той же кафедрой.

E-mail: igoleu@yandex.ru

Статья предоставлена ИД "Литейное производство"