СПОСОБ РЕЦИКЛИНГА ОТХОДОВ ГРАНАТОВОГО ПЕСКА ОТ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ РЕЗКИ
METHOD OF RECYCLING PEARLITE SAND WASTES FROM HYDROABRASIVE CUTTING

Изобретение относится к области рециклинга абразивов, применяемых в гидроабразивной резке материалов, и может быть использовано как в общем технологическом цикле резки, так и отдельно от установки гидроабразивной резки для  регенерации используемых абразивов, в частности, гранатового песка.
Технология гидроабразивной резки под высоким давлением посредством станков ЧПУ требует большого количества дорогостоящего абразива, который импортируют в Россию из-за рубежа, в основном, из Австралии, Индии и Китая. Затраты на приобретение абразива составляют до 60% от всех затрат на эксплуатацию станка с ЧПУ. В процессе гидроабразивной обработки материалов и полуфабрикатов образуются отходы в виде пульпы, содержащей гранатовый песок, частицы разрезаемого материала и воду. Оставшиеся после процесса резки  отходы малопригодны для повторного использования, так как после водоотделения и сушки пульпы твердая масса агрегатируется, а частицы гранатовой пыли и разрезаемого материала снижают КПД обработки материала и ускоряется износ сопла. В мокром, либо влажном виде отходы гранатового песка подавать не рекомендуется, так как они забивает канал подачи абразива. В России отходы гидроабразивной резки отсутствуют в федеральном классификационном каталоге отходов и согласно приказу Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 4 декабря 2014 г. N 536 "Об утверждении Критериев отнесения отходов к I-V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду" гранатовый песок относится к V (неопасному) классу отходов, в связи с чем пульпу сбрасывают как бытовой отход на городские свалки. В тоже время  различные обрабатываемые материалы и полуфабрикаты могут относиться к высоким классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду. Сброс отходов гранатового песка от гидроабразивной резки на свалки увеличивает экологическую нагрузку на окружающую среду. Для возврата в цикл гидрорезки необходимо, чтобы были соблюдены основные критерии, такие как сухой крупнодисперсный материал, диаметр частиц которого более 40 мкм, без агрегатов и без остатков разрезаемых материалов.
Известен способ очистки пульпы гранатового песка после гидроабразивной резки [патент UA №18530, МПК B01D 29/13, опубл. 25.12.1997], включающий в себя фильтрацию пульпы сквозь установленные один над другим фильтровальные мешки. Описанный способ разделяет гранатовый песок на несколько фракций за счет использования фильтровальных мешков с различными размерами ячеек. К недостаткам способа следует отнести то, что сетчатые мешки быстро забиваются мелкодисперсными частицами гранатового песка и частицами материала, подвергшегося гидроабразивной резке. Быстрое засорение сетчатых фильтров вызывает необходимость снятия фильтров для их очистки.
Из патента [RU №2181659, МПК  B24C 9/00, от 27.04.2002 г.] известен способ утилизации и регенерации технологической среды в процессах струйно-абразивной обработки, включающий подачу пульпы гранатового песка после гидроабразивной резки с водой в каскад из последовательно соединенных гидроциклонов.  На выходе гидроциклонов получают абразивные частицы размером от 3 до 500 мкм, которые классифицируют по размеру и однородности фракций абразивных частиц в пределах ± 10%.
К достоинствам способа следует отнести возможность получения  частиц с большим диапазоном дисперсности, пригодных для  повторного использования в различных процессах обработки металла, таких как тонкая шлифовка, удаление окалин, покрытий, обезжиривание, текстурирование. Часть регенерированного материала, с дисперсностью  порядка 100 мкм, направляется на  использование в низкоскоростной прецизионной резке. Недостатком способа является то, что абразивный материал не пригоден для повторного применения в высокоскоростной гидроабразивной резке. Также абразивный материал быстро изнашивает внутреннюю поверхность гидроциклонов, что загрязняет конечный продукт.
Из патента [EA 029949 B1, МПК F26B3/092 от 29.06.2018 г.] известен способ рециклинга, включающий в себя  выделение больших частиц из пульпы виброситом, которое разделяет суспензию на две фракции: отходы с размерами меньше размеров ячеек сита (менее 100 мкм) и материал с размерами больше размеров ячеек сита (свыше 100 мкм), предназначенный для дальнейшего использования. Повторно используемый абразив выстаивается в мешках в течение 3-5 дней, при температуре свыше 5°С в сухой среде, в результате чего часть избыточной воды удаляется. Затем абразив помещают в бункер и шнеком подают в сушильную камеру на вибросито, на котором он аэрируется поступающим воздухом.  Мокрый, повторно используемый абразив перемещается и поднимается на сите под действием воздушного потока и вибраций сита. После сушки повторно используемый абразив поднимается в воздушном потоке и подается в циклонный сепаратор для удаления мелких частиц пыли из выходящего воздуха.
К достоинствам способа следует отнести получение продукта пригодного для  повторного использования в гидроабразивной резке. Недостатком способа является длительность процесса, неудовлетворительное качество очистки продукта, а также невозможность выделить полезную фракцию гранатового песка в диапазоне 40-100 мкм из-за быстрой изнашиваемости сеток с размером ячеек менее 100 мкм.
Проблему повторного использования отходов гранатового песка и уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду можно решить с помощью заявляемого изобретения.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание способа рециклинга отходов гранатового песка от  гидроабразивной резки, позволяющего с минимальными энергозатратами перерабатывать отходы, выделяя из отходов гидроабразивной резки крупнодисперсные частицы гранатового песка, а также снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении крупнодисперсных частиц гранатового песка с дисперсностью более 40 мкм с высокой степенью очистки от частиц разрезаемого материала, пригодных для повторного использования в гидроабразивной резке, а также расширение арсенала способов вторичной переработки отходов гидроабразивной резки.
Технический результат достигается тем, что в способе рециклинга отходов гранатового песка от гидроабразивной резки пульпу гранатового песка закачивают в накопительный бункер насосом, разжижают ее водой,   турбулизируют перемешивающим устройством, затем с постоянным расходом сливают турбулизированную смесь через дозатор на концентрационный стол,  на котором продольными колебаниями стола и равномерной подачей смывной воды вдоль длинной стороны деки стола разделяют смесь на три массопотока: поток, содержащий крупнодисперсный гранатовый песок, поток, содержащий мелкодисперсный гранатовый песок и поток с частицами разрезаемого материала, после разделения  поток  с крупнодисперсным гранатовым песком транспортируют шнеком  в фильтрационную ёмкость для первичного обезвоживания, оборудованную сеткой с диаметром ячейки не менее 40 мкм,  сушат в барабанной вращающейся печи, после сушки расфасовывают;   потоки  с мелкодисперсным гранатовым песком и частицами разрезаемого материала направляют в седиментационный бак на отстаивание.
Целесообразно в способе рециклинга отходов гранатового песка от гидроабразивной резки использовать в накопительном бункере смеситель турбинного типа.
Рекомендуется в способе рециклинга отходов гранатового песка от гидроабразивной резки использовать в накопительном бункере смеситель лопастного типа.
Оптимально отстойную воду  с седиментационного бака использовать повторно для закачивания в накопительный бункер.
Целесообразно проводить  первичное обезвоживание массы  в фильтрационной ёмкости в течение суток при температуре не ниже 5°С.
Турбулизация разжиженной пульпы перемешивающим устройством в накопительном бункере обеспечивает переход частиц гранатового песка и частиц разрезаемого материала во взвешенное в воде состояние, в результате чего происходит дезагрегация агрегатированных кусков и устранение флуктуаций гранулометрического состава твердых частиц в объеме смеси. Равномерная подача смеси на концентрационный стол обеспечивает постоянный режим работы стола без необходимости регулирования продольного и поперечного углов наклона деки стола при его эксплуатации. Постоянный режим работы стола обеспечивает высокую степень разделения частиц подаваемой смеси, следствием чего является высокая степень очистки гранатового песка.
Разделение смеси на три массопотока обеспечивает получение крупнодисперсных частиц гранатового песка с дисперсностью более 40 мкм с высокой степенью очистки от частиц разрезаемого материала.
Наличие сетки с диаметром ячейки не менее 40 мкм обеспечивает просачивание жидкости из массы влажного регененерированного песка, ускоряя процесс сушки регенерированного песка.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 – технологическая схема процесса,  на фиг. 2 изображена схема массопотоков по поверхности деки (вид сверху).
Описание способа.
Пульпа закачивается пульпонасосом 1 в накопительный бункер 2, оборудованный перемешивающим устройством 3. Одновременно с подачей пульпы, в накопительный бункер подают воду из бака 4. При вращении лопастей перемешивающего устройства пульпа завихряется, твердая масса переходит во взвешенное состояние, и образующаяся смесь сливается через дозатор на концентрационный стол 5. Инерционный привод (на фиг. не показан) приводит в движение концентрационный стол. При продольных колебаниях концентрационного стола и равномерной подаче смывной воды вдоль длинной стороны деки стола обеспечивается разрыхление слоя частиц подаваемой смеси на поверхности концентрационного стола и их транспортирование. В результате сноса верхнего слоя частиц потоком жидкости поперёк деки и транспортирования нижнего слоя (где концентрируются тяжёлые частицы) вдоль деки образуется веер частиц различных плотности либо крупности, что позволяет разделить частицы различной крупности на различные массопотоки. Так как частицы разрезаемых материалов относятся к иловым частицам с дисперсностью не превышающей 15 мкм, то они уносятся массопотоком верхнего слоя, не смешиваясь с крупнодисперсными частицами гранатового песка (фиг. 2). Веер частиц гранатового песка, образованный вдоль деки стола, позволяет выделить массопотоки мелкодисперсного и крупнодисперсного  гранатового песка, в результате чего верхний слой частиц сносит потоком смывной воды (фиг. 2), происходит транспортирование нижнего слоя (где концентрируются тяжёлые частицы) и вдоль деки образуется веер частиц различных крупности.
ср
Частицы разрезаемого материала и гранатовый песок со средней дисперсностью D менее 40 мкм стекают по желобу в седиментационный бак 6 на отстаивание.  Крупнодисперсный влажный абразив по шнеку 7 транспортируется в фильтрационную ёмкость конической формы 8, оборудованную сливом для воды и сеткой 9 с диаметром ячейки 40 мкм. Первичное обезвоживание массы в фильтрационной ёмкости проводится в течение суток при температуре свыше 5°С в сухой среде, после чего массу отправляют на сушку  в барабанную вращающуюся печь 10. После осаждения ила воду из седиментационного бака закачивают в бак 4, обеспечивая замкнутый водооборот. Воду из фильтрационной емкости также направляют в бак 4.
Реализация способа.
3
2
4
3
3
Предлагаемый способ применялся для регенерации гранатового песка, используемого в процессе гидроабразивной резки керамики, листов ДВП, зеркал, листов черного металла, изделий из нержавейки. Материал нового абразива: гранатовый песок фирмы «Р-Гарнет» – «mesh 80 ТУ 3988-003-76245879-2017(Китай)», (гранулометрический анализ показан в таблице 1), представлен преимущественно минералом альмандином – FeAl(SiO) – 92-96%, диаметр зерен -315+150 мкм, плотность 4,1 г/см, твердость по Моосу 7,5-8.
-1
Из улавливающей ванны станка гидроабразивной резки была собрана пульпа, состоящая из воды, гранатового песка и частиц разрезаемых материалов, и перевезена в бочках к месту регенерации. В накопительный бункер загружали пульпу и насосом закачивали воду для поддержания в накопительном бункере соотношения твердое:жидкое (Т:Ж) = 1:3, при этом интенсивно перемешивали лопастным смесителем смесь. После перехода твердой массы во взвешенное состояние включили концентрационный стол СКО-0,5 (произведён на заводе «Труд-маркет», г. Новосибирск, производительность стола – 50 кг/час).  Затем равномерно сливали из накопительного бункера через регулятор расхода пульпу на концентрационный стол, угол стола относительно поперечной плоскости составлял 5°, относительно продольной плоскости – 7°, длина хода деки – 16 мм, частота колебаний – 400 мин.
На стол подавали смывную воду, поддерживая соотношение Т:Ж = 1:33. Смесь на концентрационном столе разделялась на три массопотока: крупнодисперсный и мелкодисперсный гранатовый песок, а также иловые частицы. Массопоток иловых частиц и мелкодисперсный гранатовый песок направляли в седиментационный бак на отстаивание.   Поток влажного крупнодисперсного гранатового песка с дисперсностью более 40 мкм транспортировали шнеком в фильтрационную емкость на первичную фильтрацию на сетке с диаметром ячейки 40 мкм в течение суток. При сушке тонким слоем (не более 50 мм)  за сутки песок потерял 40 % влаги. После суточного выстаивания регенерированный гранатовый песок  отправили на сушку в наклонно установленной барабанной вращающейся печи, в которой была уложена массивная цепь для дезагрегации комков регенерированного гранатового песка. Влажный регенерированный гранатовый песок сушили при температуре 150°С. После сушки провели ситовой анализ гранулометрического состава  нового песка от поставщика, а также  регенерированного гранатового песка, результаты которого представлены в таблице 1. Также провели анализ гранулометрического состава высушенного отхода от гидроабразивной резки методом лазерной дифракции, результаты которого представлены в таблице 2. При проведении анализа размеров частиц методом лазерной дифракции навеску исследуемого порошка поместили в ванну смесителя с дистиллированной водой и в течение десяти минут диспергировали при помощи ультразвуковой установки (40 Вт, 40 кГц).
Таблица 1 – гранулометрический состав нового и регененерированного гранатового песка
Фракция, мкм
Новый гранатовый песок, % (масс.)
Регенерированный гранатовый песок, % (масс.)
-315+160
84,286
29,857
-160+94
15,337
43
-94+64
0,325
11,26
-64+40
0,039
8,636
-40
0,013
7,247
Таблица 2 – Объемное распределение гранатового песка
Размер, мкм
Объем, %
Размер, мкм
Объем, %
Размер, мкм
Объем, %
Размер, мкм
Объем, %
3,564
0,77
11,078
0,518
34,429
0,627
107,006
7,562
3,951
1,177
12,28
0,696
38,168
0,619
118,626
8,531
4,38
1,506
13,614
0,783
42,312
0,626
131,508
9,082
4,856
1,749
15,092
0,849
46,907
0,514
145,788
9,443
5,383
1,883
16,731
0,92
52,001
0,173
161,62
8,717
5,968
2,001
18,548
1,029
57,648
0,172
179,17
6,819
6,616
2,231
20,562
1,017
63,908
0,169
198,626
4,985
7,334
1,966
22,795
0,889
70,847
0,96
220,195
2,461
8,131
1,077
25,27
0,783
78,541
2,548
244,106
1,03
9,014
0,686
28,015
0,626
87,07
4,126
270,614
0,359
9,992
0,554
31,057
0,572
96,525
6,194
Всего
100
Из таблицы 1 и 2 видно, что песок в процессе гидроабразивной резки измельчается, но около 75% материала – это частицы с дисперсностью более 40 мкм и пригодны для повторного использования. После очистки пульпы гранатового песка от гидроабразивной резки получается песок, состоящий на 93% из крупнодисперсных частиц гранатового песка.
3
2
4
3
3
Для определения возможности рециклинга регенерированного гранатового песка в гидроабразивной резке была проведена контрольная резка черного металла (лист толщиной 8 мм). Основное параметры процесса резки:  Материал регенерированного абразива: гранат FeAl(SiO), диаметр зерен -315+40 мкм, плотность 4,1 г/см, твердость по Моосу 7,5-8. Скорость резания – 160 мм/мин, расход материала 400 г/мин, давление воды – 360 МПа.
При сравнении скорости резки  регенерированным  и новым гранатовым песком было выявлено снижение скорости резки  регенерированным гранатовым песком на 15%, что является незначительным фактором и не препятствует вторичному использованию регенерированного гранатового песка.
Производительность процесса очистки заявляемым способом в проведенном эксперименте составила 0,85 т/сутки, что является показателем эффективности способа.