Tái chế bền vững phế liệu kim loại sắt bằng quy trình luyện bột

K. K. Rane1, P. P. Date1
1Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology, Bombay, India

Tóm tắt

Quy trình luyện bột (PM) có thể được sử dụng để biến đổi phế liệu kim loại sắt bị oxi hóa thành các sản phẩm có thể sử dụng. Nghiên cứu hiện tại thiết lập một quy trình tái chế dựa trên PM tối ưu để đạt được tính chất vật lý và cơ học cao hơn đáng kể của các sản phẩm (mẫu dạng trụ trong công trình này). Để đạt được điều này, bảy tham số bao gồm nguồn phế liệu kim loại, lượng chất giảm carbothermic và các tham số quy trình PM đã được sử dụng để xây dựng một ma trận trực giao Taguchi L18. Các mẫu được giảm in situ và thiêu kết theo 18 điều kiện này đã được đặc trưng hóa về các tính chất vật lý, cơ học và cấu trúc vi mô. Phương pháp phân tích tương quan xám (GRA) đã được sử dụng để tìm ra các thiết lập tham số tối ưu nhất. Bùn mài như một nguồn nguyên liệu phế liệu đã dẫn đến mật độ thiêu kết, độ cứng và sức mạnh cơ học cao nhất dưới các điều kiện sau: áp suất nén 900 MPa, nhiệt độ thiêu kết 1150 °C, graphite được thêm vào theo tỷ lệ stoichiometrically (để giảm carbothermic), thời gian thiêu kết 90 phút, và tỷ lệ gia nhiệt đến làm mát là 5/7. Phân tích này cũng xác nhận các phát hiện trước đó rằng việc giảm đồng thời các oxit kim loại và sự dày đặc xảy ra trong quá trình thiêu kết. Quy trình tái chế dựa trên PM được thiết lập mới này với các thiết lập tham số tối ưu hóa GRA cải thiện các đặc tính sản phẩm quan tâm khoảng 14% so với các thiết lập tối ưu ban đầu được lấy từ kết quả L18. Điều này đã được xác nhận qua dự đoán phân tích cũng như các thí nghiệm xác nhận.

Từ khóa

#Quy trình luyện bột #tái chế #phế liệu kim loại sắt #phân tích tương quan xám #tính chất vật lý và cơ học.

Tài liệu tham khảo

CWC (2000) Recovery of a recyclable metal alloy from high-speed steel grinding swarf. CWC, Pacific Northwest Economic Region (PNWER), Seattle, WA Makkonen HT, Heino J, Laitila L, Hiltunen A, Poylio E, Harkki J (2002) Optimisation of steel plant recycling in Finland: dusts, scales and sludge. Resour Conserv Recycl 35:77–84 Daavittila J, Honkaniemi M, Jokinen P (2004) The transformation of ferrochromium smelting technologies during the last decades. J S Afr Inst Min Metall 104:541–549 Johnson J, Reck BK, Wang T, Graedel TE (2008) The energy benefit of stainless steel recycling. Energy Policy 36:181–192 Yellishetty M, Mudd GM, Ranjith PG, Tharumarajah A (2011) Environmental life-cycle comparisons of steel production and recycling: sustainability issues, problems and prospects. Environ Sci Policy 14:650–663 Gaustad G, Olivetti E, Kirchain R (2012) Improving aluminium recycling: a survey of sorting andimpurity removal technologies. Resour Conserv Recycl 58:79–87 Shaibani ME, Ghambari M (2011) Characterization and comparison of gray cast iron powder produced by target jet milling and high energy ball milling of machining scraps. Powder Technol 212(1):278–283 Karandikar D (1991) Processing of cast iron scrap from the diesel engine manufacturing industry by powder metallurgy techniques. Resou Conserv Recycl 5(1):61–71 Lee H, Sohn I (2015) Global scrap trading outlook analysis for steel sustainability. J Sustain Metall 1(1):39–52 Camci L, Aydin S (2002) Reduction of iron oxides in solid wastes generated by steelworks. Turk J Eng Environ Sci 26:37–44 Bagatini MC, Osorio VZE, Vilela AC (2011) Characterization and reduction behavior of mill scale. ISIJ Int 51(7):1072–1079 Costa CE, Zapata WC, Parucker ML (2003) Characterization of casting iron powder from recycled swarf. J Mater Process Technol 143–144:138–143 Demirci F, Turan A, Yucel O (2012) An investigation on the direct reduction of mill scale from continuous steel casting. In: International Iron Steel Symposium, Karabük, Türkiye, p 353–358 Kazemi M, Sichen D (2015) Investigation of selective reduction of iron oxide in zinc ferrite by carbon and hydrogen. J Sustain Metall 2:1–6 Canakci A, Varol T (2015) A novel method for the production of metal powders without conventional atomization process. J Clean Prod 99:312–319 Rahimian M (2009) The effect of particle size, sintering temperature and sintering time on the properties of Al-Al2O3 composites, made by powder metallurgy. J Mater Process Technol 209:5387–5393 Channankaiah G Ranganath (2012) Experimental approach on densification and mechanical properties of sintered powder metallurgy AISI 4140 steel preforms. ARPN J Eng Appl Sci 7(3):298–303 Fillabi MG, Simchi A, Kokabi AH (2008) Effect of iron particle size on the diffusion to wrought carbon steels. Mater Des 29:411–417 Delavari M, Salarvand A, Rahi A, Shahri F (2011) The effect of powder metallurgy process parameters on mechanical properties of micro and nano-iron powder. Int J Eng Sci Technol 3(9):86–94 Yu J, Youn C, Kim B, Lee J, Cho C (2005) Characteristics and sintering behavior of oxide coated iron nano-powder synthesized by plasma arc discharge process. Mater Trans 46(6):1436–1439 Vieira MT, Catarino L, Oliveira M, Sousa J (1999) Optimization of the sintering process of raw material wastes. J Mater Process Technol 92 and 93:97–101 Duflou JR, Tekkaya EA, Haase M, Welo T, Vanmeensel K, Kellens K, Dewulf W, Paraskevas D (2015) Environmental assessment of solid state recycling routes for aluminium alloys: can solid state processes significantly reduce the environmental impact of aluminium recycling? CIRP Ann 64:37–40 Paraskevas D, Vanmeensel K, Vleugels J, Dewulf W, Deng Y, Duflou JR (2014) Spark plasma sintering as a solid-state recycling technique: the case of aluminum alloy scrap consolidation. Materials 7:5664–5687 Laska M, Kazior J (2012) Influence of various process parameters on the density of sintered aluminium alloys. Acta Polytech 52(4):93–95 Joseph WK, Chan T, Tong KL (2007) Multi-criteria material selections and end-of-life product strategy: gray relational analysis approach. Mater Des 28(5):1539–1546 Saberifar S, Jafari F, Kardi H, Jafarzadeh MA, Mousavi SA (2014) Recycling evaluation of mill scale in electric arc furnace. J Adv Mater Process 2(3):73–78 Rane KK, Date PP (2014) Pulverization of forging scales and grinding sludge: a new technique for recycling of metallic scrap from forging industries. Waste Manag Resour Util 637–642 Halmann M, Frei A, Steinfeld A (2011) Vacuum carbothermic reduction of Al2O3, BeO, MgO–CaO, TiO2, ZrO2, HfO2 + ZrO2, SiO2, SiO2 + Fe2O3 and GeO2 to the metals—a thermodynamic study. Miner Process Extr Metall Rev 32:247–266 Rane KK, Date PP (2015) Reduction and densification characteristics of iron oxide metallic waste during solid state recycling. Adv Powder Technol 26(1):126–138 Rane KK, Date PP (2014) Improved compressibility of metal oxide powder and graphite mixture. Solid State Recycl Met Waste Trans PMAI 40(1):23–28 Gaitonde VN, Karnik SR, Achyutha BT, Siddeswarappa B (2007) Methodology of Taguchi optimization for multi-objective drilling problem to minimize burr size. Int J Adv Manuf Technol 34:1–8 Pawade RS, Joshi SS (2011) Multi-objective optimization of surface roughness and cutting forces in high-speed turning of Inconel 718 using Taguchi gray relational analysis (TGRA). Int J Adv Manuf Technol 56:47–62 Kuram E, Ozcelik B (2013) Multi-objective optimization using Taguchi based grey relational analysis for micro-milling of Al7075 material with ball nose end mill. Measurement 46:1849–1864