Утилизация отходов слоистых металлов

В процессе производства слоистых металлов неизбежно образуются отходы, главным образом в виде обрези. То же самое происходит и при изготовлении изделий из этих металлов. Отслужившая свой срок "слоистая" деталь также обычно идет в отходы. Проблема переработки металлических отходов – одна из наиболее сложных. Неудовлетворительное положение в этой области объясняется и организационными, и экономическими, и техническими причинами. А между тем возвращение в производство отслуживших металлов – громадный резерв экономии энергетических, материальных и трудовых затрат. Кроме того, использование вторичных ресурсов прямо связано с охраной окружающей среды, улучшением экологической обстановки.

Для повышения эффективности металлургической переработки отходов слоистых металлов проводят их первичную обработку на местах, в цехах предприятий по вторичному использованию цветных металлов или в шихтовых цехах заводов, производящих цветные металлы из вторичного сырья. Первичная обработка предусматривает: сортировку, разделку, пакетирование, брикетирование, измельчение, сушку, обезжиривание, обогащение, магнитную сепарацию и п.т. Другими словами, это весьма сложная и многоступенчатая технология.

Утилизация отходов слоистых металлов - не простая техническая задача. Направлять отходы сразу в переплав в большинстве случаев нельзя, так как требуется сначала отделить составляющие композиции друг от друга. Сделать это можно механическими, химическими, электрохимическими или тепловыми способами.

Механические способы заключаются в раздирании слоев (когда прочность соединения ниже прочности составляющих), а также в срезке плакирующего слоя (при достаточной его толщине) путем строжки или фрезерования.

Химические методы довольно сложны и многостадийны. Они предусматривают последовательные операции: стравливание и выщелачивание плакирующего металла, и дальнейшее восстановление его из оксидов. Например, один из способов переработки отходов сталемедных композиций включает операции выщелачивания в серной кислоте, в результате чего образуется тетрааминосульфат меди, который идет на вторичное выщелачивание. Выделяющийся при этом сульфат меди выводят из зоны выщелачивания и разлагают при температуре около 1000 °С с образованием оксидов. Последняя операция – восстановление меди из оксидов углеродом при 900…1000 °С. Электролитические методы снятия плакирующего слоя обладают по сравнению с химическими важным преимуществом - относительной простотой. Обычно здесь в одном цикле происходит и растворение цветного металла на аноде (биметалле) и осаждение его на катоде.

Тепловые методы заключаются в расплавлении более легкоплавкой составляющей композиции. Если слоистые отходы имеют вид ленты или полосы, то процесс можно осуществлять в потоке, располагая нагревающее устройство над поверхностью движущейся полосы. В ряде случаев применим метод разделения слоев тепловым ударом: при быстром нагреве в результате разницы в тепловом расширении металлов композиции происходит расслоение.

Наиболее простой и дешевый путь утилизации отходов слоистых металлов - это использование их в качестве шихтовых материалов при выплавке металлов. Так, отходы (концевая и боковая обрезь) производства сталемедных композиций используют в качестве железистого флюса при выплавке вторичной черновой меди, а также как легирующую добавку при выплавке медьсодержащих чугунов.

ЛЕКЦИЯ 4

СТРОЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ. СОСТАВ ПЛАСТМАСС.

ВИДЫ ПЛАСТМАСС.

План лекции.

1. Строение полимеров.

2. Простые и сложные пластмассы.

3. Основные свойства пластмасс.

 

Пластическими массами называются материалы, получаемые на основе природных и синтетических высокомолекулярных соединений (полимеров), способных вследствие своей пластичности принимать придаваемую им форму под воздействием тепла и давления, и устойчиво сохранять ее.

Многие природные вещества обладают пластическими свойствами. Знакомство человека с пластическими свойствами тел относится к глубокой древности. Так, с незапамятных времен известны пластические свойства влажных глин, отверждающихся при обжиге; сплавов песка, мела, золы (стекла), пластичных в расплаве и твердеющих на холоде; асфальта, янтаря, канифоли, воска и др. Древние египтяне и вавилоняне применяли асфальт для пропитки тканей и дерева в строительной и гидроизоляционной технике. В 1839 г. получена резина из природного каучука, в 1843 г. – эбонит, в 1872 г. – целлулоид из древесины, в 1897 г. – галалит из творога.

В настоящее время создана промышленность синтетических пластмасс. Первыми чисто синтетическими пластмассами были фенопласты: бакелит (США, 1907 г.), карболит (Россия, 1917 г.). После первой мировой войны были получены аминопласты.

Впервые в России в 1916 г. пластические массы стал выпускать небольшой завод в г. Орехово-Зуево. Здесь на основе процесса, разработанного русскими химиками Г.С.Петровым, В.И.Лосевым и К.И.Тарасовым, получили термореактивную смолу – карболит.

Наибольшее развитие производство пластмасс достигло в годы советской власти.

Начиная с 1925 г. было построено много химических заводов: Охтинский (г. Ленинград) по производству фенолоформальдегидных смол, Кусковский, Владимирский, Любучанский, в Москве, Ростове-на-Дону, Северодонецке, Грузии, Армении, Азербайджане, Прибалтике, Узбекистане, Украине и др.

Большой вклад в развитие производства пластмасс внесли ученые СССР. Развитие в стране автомобильной, тракторной, авиационной отраслей промышленности потребовало увеличения производства пластических масс.

Начиная с 30-х годов, большое промышленное значение начали приобретать полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат – органическое стекло и др.

Было освоено производство винилацетатных пластиков, карбидных смол, винилхлорида, полиэтилена высокого давления, поливинилхлоридной смолы, капролактама, полиуретана и др. На Гурьевском химическом заводе (Казахстан) было освоено производство полипропилена.

Сороковые годы характеризуются весьма быстрым развитием промышленности пластмасс и появлением новых полимеров: кремнийорганических, полиамидных (капрон и др.), полиуретановых и др. Налажено производство пластмасс с такими свойствами, как высокая термо- и коррозионная стойкость (фторопласты, кремнийорганические смолы), высокая механическая прочность (стеклопластики), малая плотность (поро- и пенопласты). Получено много новых пластмасс с ценными свойствами (поликарбонат, полиформальдегид, пентопласт и др.).

В семидесятых годах XX в. на Шевченковском заводе пластмасс было начато производство этилена, этилбензола, стирола и полистирола (ударопрочного, общего назначения и вспенивающегося).

Из большого количества производимых в настоящее время пластических масс можно выделить четыре самых главных. Это – полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и фенолоформальдегидные пластики. По массе эта четверка занимает от общего выпуска пластмасс примерно половину. Производство указанных пластмасс нарастает. Прирост полиэтилена и полистирола был получен за счет предприятий, расположенных на востоке.

В настоящее время промышленность полимерных материалов развивается преимущественно в европейской части страны. Здесь выпускается около 91 % пластмасс. На долю районов Сибири и Дальнего Востока приходится менее 5 % выпуска полимеризационных пластиков. Дальнейшее развитие производства пластмасс сможет идти только в направлении создания крупных энергоемких комплексов, приближенных к источникам сырья и энергии. Поэтому наращивание мощностей предполагается вести за счет развития уже строящихся и проектируемых производств Западной Сибири. Темпы развития производства пластических масс в этой зоне будут определяться наличием свободных ресурсов.

Немаловажная задача перед учеными и практиками стоит в области повышения качества пластических масс. Дефицит пластмасс в значительной мере можно покрыть, увеличивая надежность и долговечность полимерных материалов, улучшая их качество.

В нашей стране открыт принцип получения особо прочных изделий из пластмасс, изготовляемых из доступного сырья, предложены технологические приемы, позволяющие во многих странах использовать уже имеющееся оборудование.

Прочностные характеристики материалов традиционно принято сопоставлять, беря за точку отсчета прочность стали. Прочность ее лучших сортов составляет примерно 200 МПа. Обычная прочность полиэтилена не превышает 20…30 МПа. После сложной специальной обработки полиэтилен становится прочнее в 20…25 раз и все-таки сравнение со сталью остается для него невыгодным. В институте высокомолекулярных соединений АН Украины научились получать полиэтилен прочностью до 200 (300) МПа. Такого не удалось достичь даже лидерам в производстве высококачественного полиэтилена – японцам.

Проблема прочности, надежности, улучшения качества пластмасс многосторонняя, она требует решения многих попутных задач. Одной из таких задач является разработка совершенных методов испытания пластмасс и создание для этой цели особых машин и стендов, которые позволяли бы предсказывать поведение материала в тех или иных условиях. Больших результатов в решении этой задачи добились сотрудники института механики полимеров АН Латвии. Они научились предвидеть картину поведения пластиков через 10…20 лет.

Еще одним из главных направлений в области увеличения качества выпускаемых пластических масс является повышение эффективности применения полимерных материалов. С этой целью организован выпуск новых марок уже освоенных полимеров, различных композиционных материалов – смешивающихся, огнестойких, атмосферо- и морозостойких и т.д., а также новых полимеров.

В промышленных масштабах выпускается сополимер этилена с пропиленом (СЭП), который обладает высокими свойствами: прочностью, морозостойкостью и стойкостью к растрескиванию в агрессивных средах, что позволяет использовать его для изготовления износостойких покрытий, труб, гибких шлангов, листов, а также для изоляции проводов и кабелей. Применение его в народном хозяйстве высокоэффективно.

Высокий интерес, проявляемый к пластмассам, можно объяснить рядом их ценных свойств: коррозионной стойкостью, износостойкостью, высокой механической прочностью, высокой химической стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами. Благодаря этому пластмассы широко внедряют во многие отрасли техники, что способствует совершенствованию конструкций, снижению себестоимости продукции, повышению производительности труда. Развитие производства полимеров в настоящее время определяется неограниченными запасами сырья, легкостью переработки в изделия, комплексом ценных свойств.

 

Строение полимеров.

Пластические массы или просто пластмассы (ПМ) – это материалы на основе природных или синтетических высокомолекулярных соединений. Высокомолекулярные соединения являются смесью полимеров с различным весом.

Химическое строение, молекулярный вес, структура цепи и взаимное расположение молекул определяют свойства высокомолекулярных соединений.

Макромолекулы высокомолекулярных соединений могут иметь линейную разветвленную или пространственную структуру (рис. 1). Макромолекулы линейных полимеров представляют собой цепи, имеющие длины в сотни и тысячи раз, превышающие размеры поперечного сечения. Атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдельные цепи связаны межмолекулярными силами, в значительной степени определяющими свойства полимеров.

При разветвленной структуре полимера макромолекулы имеют ответвления, длина и число которых могут быть различными. Наличие в цепях разветвлений приводит к ослаблению межмолекулярных сил и тем самым к снижению температуры размягчения полимера.

Линейные и разветвленные полимеры построены из отдельных макромолекул, связанных между собой межмолекулярными силами, величина которых в значительной степени определяет технические свойства вещества. Такие полимеры эластичны, плавятся или размягчаются при нагревании и при охлаждении снова переходят в твердое состояние.

Рис. 1. Структура полимеров:

а – линейная; б – разветвленная; в – пространственная

 

Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются, так как молекулы растворителя могут внедряться в промежутки между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы. Линейные и разветвленные полимеры являются основой термопластичных пластмасс (термопластов).

Пространственные (сшитые, сетчатые) структуры получаются либо сшивкой отдельных линейных цепей полимеров, либо в результате поликонденсации и полимеризации. При частом расположении поперечных связей полимер становится неплавким и нерастворимым. При редких связях возможно некоторое набухание под воздействием растворителя и незначительное размягчение при нагреве. Полимеры, способные образовывать пространственные структуры, являются основой термореактивных пластмасс (реактопластов).

В зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях. Наличие кристаллической фазы у полимеров оказывает большое влияние на их физико-механические свойства. Так, при переходе полимера из аморфного в кристаллическое состояние повышается его прочность, теплостойкость. Существенное влияние на полимерные материалы оказывает воздействие на них теплоты.

Под действием теплоты аморфные полимеры можно перевести из твердого (стеклообразного) состояния в высокоэластическое и вязкотекучее состояние (рис. 2).

Из диаграммы для аморфного полимера видно, что в низшем температурном интервале вещество находится в стеклообразном состоянии, т.е. деформация мала и увеличивается пропорционально температуре.

Выше температуры стеклования вещество переходит в высокоэластическое состояние, а выше температуры текучести вещество становится вязкотекучим. Температура стеклования характеризует теплостойкость полимерного материала.

Рис. 2. Термомеханическая кривая аморфного полимера:

1 – зона стеклообразного состояния; 2 – зона высокоэластичного состояния;

3 – зона вязкотекучего состояния

 

Две точки на термомеханической кривой (Т_С и Т_Т) характеризуют температурные области, соответствующие трем физическим состояниям полимера. Эти температуры являются важнейшими характеристиками, позволяющими назначать температурные интервалы формования деталей из полимеров.

Термомеханические кривые для кристаллических полимеров имеют иной, чем для аморфных полимеров, вид. Отдельные полимеры с увеличением температуры разлагаются, не переходя в вязкотекучее состояние.