Современные технологии переработки тонкостенного алюминия

Чтобы получить алюминий более  высокой чистоты, которую требуют радиоэлектроника и ядерная энергетика, применяют дополнительный переплав рафинированной продукции. Очень часто для этого применяют так называемую зонную плавку. Ее проводят под вакуумом в кварцевых трубках, которые охватываются кольцевым нагревателем (индуктором) с рабочей поверхностью длиной 10-20 мм. Рафинируемый алюминий отливают в виде прутиков диаметром 15-20 и длиной 250-300 мм, которые кладут в лодочки из графита и помещают в кварцевые трубки. Индуктор передвигают вдоль прутка со скоростью порядка 1 мм/мин. С такой же скоростью перемещается расплавленная зона алюминия. Примеси, концентрируясь в расплаве, передвигаются к концу прутка, накапливаясь там. После 10-15 прогонов нагревателя прутки извлекают, их концы на длину 80-100 мм отрезают. Оставшаяся часть состоит из алюминия концентрацией 99,9999 %. Способ зонной плавки малопроизводителен и очень дорог, поэтому применяется лишь в исключительных случаях - для получения особо чистых металлов.

2.3. Технология  получения вторичного алюминия  из бедных алюмосодержащих шлаков  и алюминиевых банок

Всё больше людей в современном  мире говорят о необходимости  сохранения ресурсов, развития отрасли  переработки и вторичного использования. Этой точки зрения придерживаются учёные и экономисты, заявляющие о конкретной выгоде.

Особое значение имеет  вторичная переработка металлов, так как имеется возможность  собрать достаточное количество сырья. Любая техника, здания подвержены амортизации, т.е. происходит естественный процесс старения. После определённого  срока эксплуатации необходимо проводить  замену или обновление. В результате разрешения зданий или демонтажа  устаревшей техники освобождается  большое количество материалов, которые  можно использовать во вторичной  переработке.

Тем не менее, данные отрасли  ещё недостаточно развиты, хотя во многих странах реализуются различные  проекты. Количество ресурсов и изведанных месторождений пока ещё достаточно для удовлетворения потребностей человечества, однако они не безграничны, и об экономии нужно думать уже сейчас.

Особенности вторичной обработки  металлов

• Если использовать лом для вторичного использования, то можно влиять на экологическую обстановку, которая на планете ухудшается с каждым годом. Это позволяет снизить количество парниковых газов, вырабатывающихся металлургическими предприятиями, а также снизить количество сточных вод.
• Предприятия, созданные для вторичной обработки металлов, гораздо менее энергозатратны, чем предприятия по первичной выработке металлопродукции. Схема переплавки металлов достаточно проста, как и схемы технологических производственных линий
• Экономисты уже подсчитали выгоду. Переработка лома стоит примерно на 70% дешевле, нежели получение того же объёма металла из природного сырья. Поэтому речь идёт не только об экологии или выполнении природоохранных функций. 

Вторичным алюминием называют алюминиевые сплавы, полученные путем переплавки лома и отходов. В России начало производству вторичного алюминия было положено в 1928 г., когда на базе небольшоrо московского предприятия был организован завод для переработки лома и отходов цветных металлов, в том числе и алюминия [5].

В период с 1928 по 1932 г. ежегодный  выпуск вторичного алюминия составлял 700-800 т. В то время уровень технологии переработки алюминиевых отходов был крайне низким, все процессы обработки и плавки выполнялись вручную. Выход металла в готовую продукцию не превышал 73-75 %. Вследствие низкого качества получаемого вторичного алюминия его в основном использовали в черной металлургии для раскисления стали.

И лишь с пуском крупных  специализированных заводов (Подольского, Мценского, Сухоложского и др.) с  высоким уровнем автоматизации  и механизации технологических  процессов выход металла в  готовую продукцию повысился  до 91,0-91,7%, а качество вторичных алюминиевых  сплавов значительно улучшилось, благодаря чему большая часть  их используется в машиностроении как  полноценный материал [6].

Рассмотрим, что именно собой представляет вторичный алюминий. В процессе плавления металлического алюминия на поверхности образуется пенистый шлак, представляющий собой смесь продуктов взаимодействия алюминия с воздухом. Смесь включает оксид и нитриды алюминия. Некоторые другие компоненты. Перед выпуском плавки и разливкой шлак удаляется [6].

В процессе удаления шлака с поверхности  он уплотняется в грязеобразные  комки, которые могут представлять собой как маленькие куски (не более 2,5 см в диаметре), так и агломераты с диаметром порядка 30 см. Содержание чистого металла (или сплава) в шлаке может меняться от 30 до 95% по массе, в зависимости от многих факторов: состава сплава, метода получения расплава, аккуратности удаления шлака. Считается, что в шлаке остается 1-2% общего количества поданного в переработку лома алюминия [7].

В силу высокого содержания алюминия в шлаке и постоянного характера  потерь делаются попытки перерабатывать шлак с целью максимального выделения алюминия. Обычно применяемые методы включают сбор, измельчение, сортировку и последующее плавление с использованием солевых флюсов.

Флюсы, как правило, представляют собой  смесь хлористого натрия и хлористого калия с небольшим количеством (1-5%) криолита. Флюс смешивается со шлаком, загружается во вращающиеся печи барабанного типа, нагреваемые выше температуры плавления алюминия и флюса. Солевой флюс эффективно «смачивает» неметаллические компоненты шлака и способствует отделению  алюминия от неметаллических фракций. Расплавленный металл сливается  из печей, а остаток направляется в отвал. Практикуется выброс остатков в тех местах, где позволяет  рельеф местности [5].

Заводы по производству и переработки алюминия в России в результате переработки алюминийсодержащих шлаков производят более 250 000 т солевого остатка ежегодно. Выброс этих остатков в окружающую среду вызывает серьёзную критику, так как грунтовые воды выщелачивают соли из остатка. Кроме того, использование солевых флюсов приводит к образованию корродирующих паров, которые необходимо подвергать очистке.

Предложены различные процессы для выделения алюминия из печного  шлака: процессы с использованием «флюсования», бесфлюсовые процессы выделения; процессы, в которых шлаковые съемы используются без дополнительной переработки  в различных металлургических процессах [7].

Процесс, предложенный Д. Монтанья, США, предназначен для выделения алюминия из отходов производства, например шлаков, а также консервных, пивных банок и другой упаковки, без использования  флюсов путем нагревания выше температуры плавления алюминия, но ниже 800 градусов Цельсия в атмосфере, инертной к расплавленном алюминию. После полного расплавления алюминия нагреваемые материалы аккуратно перемешиваются для агломерации расплавленного алюминия и осаждения его на дне сосуда. После этого алюминий удаляется, в печи остается инертный остаток. В качестве инертного газа обычно используется аргон [8]. Схема такого процесса показана на рисунке 2.3.1.

алюминий фольга шлак стружка

Рис. 2.3.1. Процесс бесфлюсового выделения алюминия из отходов

Шлак, получаемый при переработке расплавленного алюминия 1, подвергается размельчению в устройстве 2 (например, в барабанном измельчителе). Эта стадия может быть опущена, если шлак находится в виде мелких гранул, без больших комков, которые могут затруднить проведение последующих операций. Размолотый шлак с размером частиц около 5 см подается по линии 3 в плавильную печь 4. Печь может обогреваться любым видом топок, обеспечивающих температуру порядка 750 град., и должна иметь конструкцию, позволяющую создавать защитный слой инертного газа – аргона, вводимого по линии 5 в процессе нагревания [8].

Кроме того, печь должна иметь устройство для аккуратного перемешивания  шлака после расплавления алюминия. Перемешивание может осуществляться лопастной мешалкой из стали, покрытой защитным слоем карбида кремния, перемещающейся вертикально от верхней  к нижней части печи. При использовании  такой конструкции скорость вращения составляет 5-20 об/мин [9].

Возможно противоположное решение, когда перемешивание создается  вращением самой печи. Перемешивание  должно продолжаться до полной агломерации  алюминия в расплавленную глобулу  и сбора всей массы металла  на дне печи. Как правило достаточно 2-15мин для выполнения этой операции.

После окончания перемешивания алюминий разливается в соответствующие формы. Нет необходимости оставлять определённое количество расплавленного металла в печи до следующей загрузки, как это обычно делается при использовании флюсов. Твердый остаток после разливки алюминия представляет собой шлак с низким содержанием алюминия, он направляется по линии 7 в измельчительное устройство 8. Желательно, чтобы это устройство обеспечивало достаточное истирающее действие для освобождения частиц металлического алюминия от окиси алюминия [9-11].

После измельчения и истирания  по линии 9 шлак подается на просеивание 10, где делится на мелкую и крупную  фракции. Мелкая фракция, представляющая собой в основном оксид алюминия, удаляется из процесса. Грубая фракция 12 содержит значительное количество алюминия и возвращается в печь для дополнительного  выделения металла. Можно проводить  процесс без размола, просеивания  и стадии рециклизации, но это снижает  общий выход алюминия.

В процессе алюминиевый шлак, окалина и съёмы с расплава подвергают плавлению в присутствии флюсов, содержащих хлориды натрия или калия, или их смесь в комбинации с хлоридом кальция, доля которого в составе флюса может изменяться от 1 до 50%.

Удаление шлака алюминия происходит вместе со значительным количеством  расплавленного алюминия, большая часть  которого включена в массу шлака  и предохраняется от дальнейшего  окисления. Часть металлического алюминия, однако, находится на поверхности  комков и подвержена действию воздуха. В процессе удаления шлака из печи при температуре 650 град. Цельсия металлический алюминий, вступающий в контакт с воздухом, подвергается быстрому окислению. Так как в процессе окисления выделается тепло, то при работе с расплавленным и полурасплавленным алюминием возникает пламя. Эта реакция называется алюминотермией [1].

Существующие методы работы с алюминием  включают процессы, использующие алюминотермию  для создания высокой температуры. При этом создаются благоприятные  условия для стекания алюминия и  отделения его от массы шлака. Известны так же процессы, в которых  используется охлаждение, позволяющее  освободить включения металлического алюминия из массы шлака.

При использовании методов алюминотермии, помимо значительных потерь металла в результате его окисления происходит выделение большого количества «дыма» - мелких частиц оксида алюминия, диспергированных в воздухе – представляющего опасность для здоровья работающих.

Согласно другому методу, шлак, в основном оксиды и нитриды алюминия, и вкрапленный металлический  алюминий быстро переносят из плавильной печи в охлаждаемый барабан; температура  менее чем за 3 мин. Падает ниже 200 град., выделение алюминия происходит после полного охлаждения [3].

В большом числе известных способов для выделения металлического алюминия из алюминиевого шлака проводится нагрев под флюсом, состоящим из различных солей или их смесей, обычно хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. В ряде стран используются фториды.

При флюсовании, металлический алюминий, защищенный флюсом, удаляется из шлака  путем стекания или с использованием соответствующих разделяющих устройств. Остающаяся солевая масса состоит  из флюсов, основных компонентов алюминиевого шлака – оксидов алюминия, частиц или кусков металлического алюминия, а так же большого числа примесей, плотность которых меньше плотности  алюминия и образуют частицы с  большим количеством пор и  незначительной плотностью. Обычно солевой  остаток охлаждается с образованием больших кусков, очень твердых  и трудно поддающихся переработке [8].

Куски солевого остатка размалываются  специальными машинами или вручную  для выделения включений металлического алюминия. Обычно алюминий присутствует в виде вкраплений, от совсем небольших, до имеющих толщину порядка 10 см. После выделения алюминия, остаток обычно направляют в отвал, поскольку сам он не находит никакого применения, а выделение содержащихся в нем солей очень трудоёмко и экономически неоправданно.

Отвалы солевых остатков приводят к возникновению серьёзных экологических  проблем. В условиях действия влаги  создается опасность выщелачивания  солей и попадания их в сельскохозяйственные, промышленные и что более серьёзно в настоящее время, питьевые воды. Сброс солей в карьер и другие естественные хранилища не может  считаться безопасным методом удаления, так как есть возможность попадания  солей в грунтовые и поверхностные воды [12].

Рис. 2.3.2. Выделение алюминия и солей в процессе переработки  печного шлака: 1 – подача алюминия, 2 – плавильная печь, 3 – металлический  алюминий, 4 – алюминий продукт, 5 –  шлак, 6 – охлаждение шлака, 7 – флюс, 8 – роторный сепаратор, 9 – охлаждение солевого остатка, 10 – солевой остаток, 11 – вода, 12 – автоклав, 13 – суспензия, 14 – просеивание, 15 – рассол, 16 –  испаритель, 17 – солевая суспензия, 18 – разделитель, 19 – мелкие фракции

Так же предложен процесс безводного выделения металлического алюминия с возможностью вторичного использования  солевого остатка путем многократного  размалывания и сепарирования шлаков. Но данный процесс требует, для его  внедрения, большие площади и достаточную близость к гигантским алюминиевым комбинатам [11].

С использованием промышленного и бытового алюминиевого лома