Поиск - новости науки и техники

Удар по угару. Отходы металлообработки пойдут в дело, не отравляя атмосферу.

Неотъемлемый атрибут территорий большинства металлургических предприятий – внушительные отвалы окалины, образующейся в процессе изготовления продукции. На 60 с лишним миллионов тонн стали, выпускаемой ежегодно в России, приходится до 1,5 миллиона тонн таких отходов. Причем требующих особых условий хранения. На металлообрабатывающих заводах – проблемы со складированием стружки. Есть ли способы их решения? Удивительно простую и эффективную методику комплексной переработки металлических отходов предложили дальневосточные ученые. За основу они взяли химическую реакцию, знакомую каждому школьнику. Что представляет собой технология, получившая высокую оценку специалистов, и как исследователям удалось выйти на нее, нашему корреспонденту рассказал директор Института машиноведения и металлургии ДВО РАН член-корреспондент РАН Анатолий БУРЕНИН.

– Наш институт находится в Комсомольске-на-Амуре – промышленном центре Хабаровского края и потому “обречен” на тесное сотрудничество с техническим университетом и заводами города, – вводит в курс дела Анатолий Александрович. – Присутствуя на техсоветах предприятий металлургического и машиностроительного комплексов, мы не раз слышали о проблеме утилизации отходов – окалины (окислов железа), стружки цветных и черных металлов. Особую проблему доставляет окалина, которую следует содержать на специальных заводских полигонах. Для этого требуются немалые площади, которые могли бы использоваться с большей пользой. Кроме того, такое соседство вредно влияет на экологическую обстановку прилегающих территорий. С отходами металлообработки тоже не все гладко. Скажем, при переплавке даже брикетированной стружки выделяется немалое количество ядовитых испарений, неспрессованная стружка дает их в два раза больше.
Из школьной химии мы знаем об экзотермической окислительно-восстановительной реакции. Почему бы ее не применить при решении проблем с отходами? Эта идея родилась у видного нашего ученого, доктора технических наук Игоря Георгиевича Сапченко, который уже много лет остается основным “идейным двигателем” при разработке технологии. Первые же эксперименты в этом направлении превзошли наши ожидания.
Надо сказать, что на некоторых заводах окалину все же используют для собственных нужд, например, для оптимизации химического состава сплава по углероду. Но объемы такой утилизации невелики, до 15%. Были предложения применять ее при отсыпке земельного полотна автодорог вместе с металлургическим шлаком. Но окалина – вещество активное, загрязняет почву и грунтовые воды, поэтому с экологической точки зрения это не лучший вариант.
Если взять стружку цветных металлов, то при обычной ее переработке, даже в брикетированном виде, избавиться от угара не удается. Можно переплавлять в среде инертных газов, но этот способ финансово затратный, к тому же свойства конечного продукта сильно ухудшаются. Его очистка гальваническими методами по затратам приближается к производству алюминия из глинозема. А наш способ дает не только металл с вполне конструкционными свойствами, но и огнеупорный шлак, нейтральный к окружающей среде. Мы ищем пути его промышленного применения, имеем достаточно перспективные предложения по использованию первоначального расплава шлака, что упрощает разработку технологий его промышленного освоения.
– В чем научная суть метода? Может, он из области инженерно-технологических новшеств?
– Вопрос по существу. Действительно, работая в структуре Академии наук, мы должны заниматься фундаментальными исследованиями. А здесь как будто чисто прикладная работа. Но это та ситуация, когда фундаментальные изыскания направлены на получение конкретного практического результата. В нашем случае, прежде всего, следует знать процентное содержание алюминия и окалины в смеси (шихте). Но окалина – это несколько различных по химическому составу окислов железа. Заранее определить, сколько и какие из них в нее входят, затруднительно, а ведь есть еще и другие примеси. Все узнается только посредством опытов. Они привели нас к пониманию, что адекватных моделей процесса протекания реакции в фундаментальной науке нет. Надо было браться за это дело самим. Но прежде чем создать оригинальную математическую модель процесса, пришлось создать специальные алгоритмы и программы расчетов. Кстати, при составлении модели отказались от подхода, разработанного коллективом академика Александра Григорьевича Мержанова, при котором фронт распространяющейся реакции представляется, как продвигающаяся поверхность. Решили считать его переходным многокомпонентным континуальным слоем, где происходят химические превращения. Используя результаты опытов и модель, мы научились управлять скоростью протекания процесса, температурой расплава. Понятно, что и математическая модель, и полученная зависимость для скорости протекания реакции с измеренными в ходе опытов постоянными – это результат фундаментальных изысканий, необходимость которых диктуется технологической практикой. Основная задача на будущее: установить такие условия протекания процесса, при которых в результате высокотемпературной (около 3000оС) реакции в алюмотермитной шихте мы гарантированно получим высокопрочную низкоуглеродистую сталь, по своим свойствам пригодную для использования в машиностроении. Первые результаты обнадеживают.
– Получается, использование вашего метода принесет двойную пользу: экологическую и экономическую?
– Да, это так. В принципе, перспективы применения технологии достаточно широки. Например, она позволяет получать металлические материалы с прогнозируемыми свойствами. Для этого следует правильно составить шихту, наполнив ее необходимыми добавками, и устойчиво провести процесс. Отчасти мы этого добились: научились расчетно предсказывать и подбирать компоненты смеси по химическому составу, степени измельчения стружки и степени уплотнения шихты, разливать готовый продукт в разные функциональные формы и управлять процессом кристаллизации. А еще мы умеем по-особому сваривать стальные детали. Представьте: между двумя частями изделия, которые надо соединить, укладывается термитный шнур, изготовленный из смеси окалины и алюминиевой стружки, после чего он поджигается – и через некоторое время сварной шов готов. Без электродов и подвода энергии. Правда, с теми же проблемными местами, какие наблюдаются и при традиционном способе сварки: в окрестности шва, или, как говорят специалисты, в зоне термического влияния, происходит ослабление металла. Избежать этого можно снижением теплотворной способности реакции, и, мы думаем, это удастся сделать специальным дозированием компонентов и добавлением наполнителей.
– А как поджигается термитный шнур?
– Элементарно, с помощью спичек. Есть, конечно, и варианты более технологичных решений, но их “встраивание” в технологию – дело будущего.
– Кто вместе с вами работает над этой сложной темой?
– Я уже говорил, что у ее истоков стоял доктор технических наук Игорь Сапченко – признанный в стране специалист в области литья, увлеченный и деятельный ученый. Он предлагает массу технических решений, направлений использования технологии и ее продукта. Заведующий лабораторией кандидат технических наук Сергей Жилин, также известный литейщик, только что перестал считаться “молодым” (исполнилось 36 лет). Душа исследования, еще в статусе “молодого”, – кандидат технических наук Олег Комаров. Именно он проводит подготовку экспериментов, именно у него лежит в кармане спичечный коробок для поджигания шнура, именно он разливает расплав и отделяет его от побочного продукта, организует всестороннее изучение свойств получившегося металла. Двадцатидевятилетний кандидат технических наук Дмитрий Потянихин – наш теоретик, автор математической модели, алгоритмов и программ расчетов. Инженер Евгений Абашкин занят использованием термитной технологии в сварке, надеется подготовить кандидатскую диссертацию, молод, амбициозен в самом лучшем смысле этого слова. Наконец, инженер Валерий Предеин занят изучением процесса точного литья из расплава, в том числе получаемого по термитной технологии. Проводя очередной опыт, мы собираемся все вместе, у каждого свои обязанности.
Следует упомянуть еще студентов Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, они обу­чаются на базовой кафедре этого вуза, которая находится в нашем институте. Здесь они готовят выпускные работы по программе бакалавриата, магистерские диссертации. Некоторые студенческие исследования связаны с нашей темой.
– Замечены ли ваши успехи, находят ли они поддержку?
– Главная из них – включение нашего проекта в программу Президиума РАН “Горение и взрыв”. Важна даже не финансовая сторона (400 тысяч рублей), а признание и возможность “законно” заниматься этой темой. Раньше исследования по этой теме были чем-то вроде хобби. Замечу, что и сейчас они лишь часть многоплановой работы коллектива лаборатории.
Хочется высказать признательность за поддержку наших исследований и Региональному общественному фонду содействия отечественной науки (РОФСОН), основанному Президиумом Российской академии наук совместно с представителями российского бизнеса – Романом Абрамовичем, Олегом Дерипаской и Александром Мамутом. Честно говоря, вначале не верил, что наш проект будет принят к участию в конкурсе. Но он не только прошел экспертную оценку специалистов, но и оказался в числе получивших поддержку фонда, что стало для нас неожиданным и радостным известием. Оказывается, выиграть в престижном конкурсе можно и без лоббирования, причем в далеком от Москвы городе.
Что касается практического использования наших работ, тут все сложнее. Интерес к ним есть, но все хотят получить испытанную технологию с комплексом оборудования. Понятно, что изготовить оригинальные приборы и установки в условиях нашего академического института не реально. Надеемся в будущем на участие и помощь заинтересованных предприятий.

На верхнем фото: Анатолий Буренин и Игорь Сапченко

На нжнем фото: подготовка очередного эксперимента

Фирюза ЯНЧИЛИНА
Снимки из архива института

Нет комментариев