Технологические аспекты рециклинга алюминийсодержащих отходов в роторных печах

УДК 669.71.621.7

В настоящее время алюминий и его сплавы находят все более широкий спектр применения в качестве материала деталей, узлов и агрегатов в авиастроении, машиностроении, приборостроении, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства, вследствие благоприятного сочетания технологических и физико-механических свойств. Поэтому у литейщиков вызывает повышенный интерес совершенствование технологических процессов рециклинга алюминиевых сплавов. Разработка металлургических способов переработки отходов алюминиевых сплавов и производства сортовых чушковых материалов является актуальной задачей ресурсо и энергосбережения.

Производство первичного алюминия путем электролитического получения можно представить в виде схемы (рис.1.), в которой на каждой ступени передела требуется колоссальное энергетическое обеспечение. Это является немаловажной причиной создания технологий максимально эффективного рециклинга алюминиевых сплавов. Наиболее перспективным агрегатом для переработки алюминийсодержащих отходов является роторная наклонная печь (РНП). Но процесс плавки в РНП с максимальным выходом годного металла является сложной технологической операцией. Чтобы понимать особенности этого процесса, а также применять наиболее эффективные флюсовые препараты более подробно рассмотрим сущность физико-металлургических явлений, происходящих в РНП во время плавки.[1]

Рис. 1: Схема электролитического получения алюминия

Отходы алюминиевых сплавов, как правило, находятся в виде:

• дисперсных фракций (шлаковая пыль, фольга, отсев стружки, мелкая стружка);

• мелкокусковых размерных фрагментов (шлаковый концентрат, стружка, баночный лом, кусочки алюминия в шлаке);

• крупнокусковых частей (съемы, сплесы, куски лома).

В процессе плавки в окружении постоянно перемешиваемой шихты твердые частички алюминия могут переходить в различные состояния и одновременно находиться в виде оксида, мелкой крупки, капель, каши и болота, а также уноситься отходящими газами в виде пыли и летучих соединений, образующихся в результате химического взаимодействия алюминия с флюсом. [2] Процесс плавки в РНП сопряжен с образованием из мелкокускового и крупнокускового лома дисперсных включений (<3мм), представляющих собой капли алюминия покрытые оксидной оболочкой, которую нельзя разрушить механическим или термическим воздействием. По мере увеличения температуры капли алюминия объединяются, в первые секунды после плавления, в конгломераты капель, имеющие размер больше критического. Если капли алюминия не успевают объединиться в первые секунды после плавления, то их размер остается, как правило, меньше критического и они, окисляясь, формируются в виде окисленной шлаковой крупки, а, следовательно, увеличиваются потери металла. Использование в плавке дисперсных алюминийсодержащих фракций без надлежащей флюсовой защиты способствует конвекционному уносу микрокапельных формирований алюминия и их безвозвратным потерям.

Крупные куски алюминиевого сплава проходят через стадию рыхлого промежуточного состояния. Внешне это проявляется в распаде крупных кусков на более мелкие. Поэтому образуется рыхлая кашеобразная масса, которая по мере увеличения потребления тепловой энергии становится более текучей, постепенно превращаясь в "болото", т.е. в массу жидкого металла, скапливающегося в нижней части шихты, обволакивая дисперсную и кусковую составляющие.

Без применения эффективной флюсовой обработки идут интенсивные процессы взаимодействия расплава металла с газами печной атмосферы по реакции типа:

nAl + mГ = nAlГm,

где Г - неметаллические газообразные примеси (О2, Н2 и др.).

Поэтому для реализации максимального извлечения металлической составляющей из алюминийсодержащих отходов необходимо использовать специальные флюсы металлургического назначения для РНП.

Научно-производственное предприятие ОДО "ЭВТЕКТИКА" г. Минск разработало и осуществляет производство такого препарата под названием "Композиция флюсовая комплексная" ТУ РБ 100354447.055-2004.

Предлагаемый флюс засыпается в РНП вместе с алюминийсодержащими отходами (дисперсными, мелкокусковыми, крупнокусковыми), и имея температуру плавления ~550'С, обволакивает частицы шихты, защищая дисперсную составляющую от возгонки, а мелкокусковую и крупнокусковую - от окисления. Интенсивное перемешивание компонентов при вращении РНП (рис.2) приводит к химическому взаимодействию составляющих "Композиции флюсовой комплексной" с алюминийсодержащими отходами.В результате происходит образование неметаллических соединений, частички которых всплывают на поверхность расплава, где адсорбируются "Композицией флюсовой комплексной", которая расплавилась и находится в виде тонкой плены на границе "воздух-расплав".

Рис. 2: Разрез роторной наклонной печи (РНП) в процессе плавки: а) в процессе плавления; б) по расплавлению.

Механизм разрушения окисной плены Al2O3 из мелкодисперсной шихты основан на окислительно-восстановительных реакциях типа:

Al2O3 + Me1X1 + Me2X2 + Me3X3 + … + MenXn = Al + Me1X1Oy + Me1X1Oz + Me2X2Oy + Me2X2Oz + Me3X3Oy + Me3X3Oz + … + MenXnOy + MenXnOz

где Me1X1, Me2X2, Me3X3, MenXn - компоненты "Композиции флюсовой комплексной"; Me1X1Oy, Me1X1Oz, Me2X2Oy, Me2X2Oz, Me3X3Oy, Me3X3Oz, MenXnOy, MenXnOz - компоненты шлаковой фазы.

В итоге происходит разрушение микромешочков окисной плены на дисперсной шихте, выделение алюминия и их слияние сначала в маленькие микрообъемы, а затем в большой объем жидкой фазы и обеспечивается возможность получать высокий выход годного алюминиевого сплава.

"Композиция флюсовая комплексная" ТУ РБ 100354447.055-2004 предназначена для рафинирования алюминиевых расплавов от неметаллических включений и газов, образования сухого, хорошо скачиваемого порошкообразного шлака, снижения зарастания стенок плавильных и раздаточных агрегатов, создания на поверхности расплава защитного слоя, препятствующего взаимодействию жидкого металла с печной атмосферой. Рекомендуется при проведении металлургического переплава алюминий содержащих отходов различной дисперсности в роторных печах. Расход препарата составляет от 1,0 до 3,0% в зависимости от дисперсности и загрязненности шихты (металлоотходов). При этом эффекта "разгорания" шлака не наблюдается, что характерно при использовании в процессе плавки других видов флюсов.

Для переплава стружки, шлаков и других дисперсных отходов в индукционных печах рекомендуется другой препарат - "Флюс покровно-рафинирующий самоплавящийся" ТУ РБ 100196035.005-2000, который хорошо себя зарекомендовал на таких предприятиях, как "КАМАЗ-Металлургия" г. Набережные Челны, "КЭМЗ" г. Ковров, "Регион" г. Димитровград и др.[3]

Научно-производственное предприятие ОДО "Эвтектика" (г. Минск, т.: +375 (17) 259-45-01, 253-92-94) производит гамму препаратов для обработки алюминиевых, медных, цинковых сплавов, а также чугуна, всего почти сорок наименований. Технический научный потенциал предприятия готов решать различные технологические задачи и проблемы в действующем производстве конкретных заводов.

На территории Украины функционирует наше представительство в городе Харькове (ООО "Комплекс Плюс", т.: +38 (057)719-55-20, 754-59-46; +38 (050) 570-35-32; +38 (050) 406-15-56). Все вышеописанные препараты можно получать со склада в г. Харькове.

Переработка алюминийсодержащих отходов требует высокого исполнения технологической дисциплины на всех стадиях: от подготовки отходов (сортировка, очистка и т.д.) до проведения флюсовой обработки - это является гарантией производства сортовых сплавов высокого качества.

Литература:

1. С.П.Задруцкий, С.П.Королев, А.Г.Шешко Высокоэффективные комплексные препараты для получения качественных отливок. "Металлургия машиностроения", 2007, №3, стр.11-16.

2. С.Б. Новичков. Анализ процесса плавки алюминиевых отходов в роторных печах. "Цветные металлы", 2004, №11, стр.103-106.

3. С.П.Королев, С.П.Задруцкий, В.М. Михайловский, М.И.Анискович Флюс для переплава ломов, стружечных и шлаковых отходов алюминийсодержащих сплавов. "Литейщик России", 2008, №2, стр.29-30.

Сведения об авторах:

• Королев Сергей Павлович - к.т.н., директор ОДО "ЭВТЕКТИКА", т./ф.: +375 (17) 292-75-82, 253-92-94, 259-45-01; e-mail: evtectik@nsys.by

• Михайловский Владимир Михайлович - главный инженер ОДО "ЭВТЕКТИКА", т./ф.: +375 (17) 292-75-82, 253-92-94, 259-45-01; e-mail: evtectik@nsys.by

• Задруцкий Сергей Петрович - к.т.н., главный технолог "ЭВТЕКТИКА", т./ф.: +375 (17) 292-75-82, 253-92-94, 259-45-01; e-mail: evtectik@nsys.by

• Шешко А.Г. - нач. техн. бюро ОДО "ЭВТЕКТИКА", т./ф.: +375 (17) 292-75-82, 253-92-94, 259-45-01

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №6 (94), 2008 г.