Современные технологии переработки тонкостенного алюминия

Термин «алюминиевый лом» обычно относится к ломам цветных металлов, содержащим минимум 70% алюминия, и которые не могут использоваться как товарный продукт ввиду высокого содержания примесей, таких как железо, медь, магний, цинк, марганец, титан, кальций, хром, никель, фосфор, бериллий и других, менее распространенных.

Как правило, чистота хорошо отделенного алюминиевого лома составляет порядка 99% и более, однако все же чаще встречается лом, загрязненный другими материалами. Нержавеющая сталь является особенно вредной примесью, так как она не отделяется магнитным методом, её трудно определить визуально и растворяется в расплавленном алюминии гораздо быстрее обычной стали. Чистый цинк присутствует в некоторых видах стружки, литья, и баночных крышках. Примеси магния, чистого или в виде сплава, так же нежелательны, так как лом используют в основном для изготовления форм и кокильного литья, где требуется низкое содержание магния. Неметаллические компоненты лома, например краски, масла, пластмассы, изоляция, резина и утеплители – основные источники загрязнения воздушной атмосферы при плавке лома, и если таких материалов слишком много, выделение металла становится невыгодным [12].

Алюминиевый лом обычно плавят с целью выделения металла, иногда с добавлением слитков первичного алюминия. Очистка алюминиевого лома заключается только в удалении магния путем пропускания хлора через расплав металла, либо чаще всего обработкой различными флюсами – хлоридом алюминия или смесью хлоридов калия и натрия.

Для облегчения переработки значительная доля старого алюминиевого лома и  небольшая доля нового сплавляются  в слитки, которые в дальнейшем используются для производства заготовок  специальных марок. Металлический алюминий выделяется из шлака и окалины выщелачиванием в виде растворимых солей для отделения от небольших частиц металла, обычно остающихся в таких материалах, или сухим методом, при котором продукт измельчается, просеивается для удаления мелкодисперсных фракций, а затем следует стадия магнитного разделения [11].

Согласно статистических данных, в  нашей стране, от 30% до 40% Алюминия, выпускаемого в обращение в виде промышленных или бытовых изделий, возвращается в переработку в качестве лома. Время рецикла для старого лома, который практически полностью скупается для переработки, в значительной степени зависит от формы продукта и его назначения, в любом случае значительно дольше, чем для нового лома. Некоторые изделия находятся в употреблении 10-30 лет до момента возврата в переработку. Алюминиевые консервные упаковки и некоторые типы фольги являются исключением и могут возвращаться в переработку через несколько месяцев после того, как метал поставлен производителю данного изделия. Большинство производителей алюминия и некоторые фирмы по изготовлению консервных упаковок осуществляют широкие программы по вторичному использованию алюминиевых емкостей [14].

Процесс, разработанный Х. Мартином обеспечивает экономичный метод  удаления излишков железа и других элементов из алюминиевого лома без  введения других нежелательных элементов, изменения физических свойств и  загрязнения. Основным исходным сырьем могут быть отходы любого типа, содержащие кусковой алюминий.

Присутствие значительных количеств  примесей, таких как железо, нежелательно, так как при этом в алюминии образуются хрупкие интерметаллиды, что приводит к ухудшению механической прочности, антикоррозионной стойкости  и т.д. Сплавы алюминия применяемые для изготовления штамповки должны, однако, содержать некоторое количество железа (от 0,60 до 1,20%) для уменьшения износа материала штампа. Вредное действие хрупких интерметаллидов в этом случае не проявляется благодаря тому, что при быстром затвердевании в ходе литьевой штамповки образуются кристаллы малых размеров [14].

В настоящее время промышленность производит все более возрастающее количество алюминиевого лома, загрязненного нежелательными примесями. Например, поршни автомобильных двигателей имеют стальные кольца и соединены с другими неалюминиевыми деталями; при плавке поршней алюминий загрязняется избыточным железом и другими металлами. Аналогичная ситуация возникает при переработке лома из домашних отходов. Экономичный процесс переработки лома, таким образом, крайне необходим. Создание такого процесса имеет так же и экологический аспект. Для первичной выплавки алюминия из руды требуется электроэнергии по крайней мере 13 кВт*ч/кг, тогда как на выделение алюминия из лома требуется менее 2 кВт*ч/кг. Такой процесс экономит сырье и энергию [15].

Алюминиевый лом с высоким содержанием железа (более 1,5%) наиболее часто используется в сталелитейной промышленности в качестве раскислителя. Небольшие количества такого лома добавляют при получении товарных алюминиевых сплавов. Высокое содержание железа ограничивает их широкое использование в качестве добавок к сплавам.

На сегодняшний день не существует полностью приемлемого в экономическом  отношении метода для удаления избытка  железа из алюминиевых сплавов. Исключение может составлять лишь выделение железа на стадии подготовки шихты. Это дробление и дальнейшая магнитная сепарация габаритного алюминиевого лома до размеров частей, позволяющих выделять крупное кусковое железо, как то: приделки, шпильки, различного рода соединительные и упрочняющие железные элементы.

Предлагаемый процесс предназначен для получения литейных сплавов  путем растворения кремния в расплаве лома, последующего охлаждения расплава с образованием фазы, состоящей из частиц с высоким содержанием железа, укрупнения частиц и отделения их от жидкости при температуре близкой к эвтектической температуре ALSI [12].

При добавлении кремния решаются три задачи. Во-первых, кремний понижает растворимость других элементов в алюминии и в процессе охлаждения они выделяются из расплава с образованием твердых частиц. Во-вторых, бинарная эвтектическая смесь ALSI отверджается при температуре 580 град., в то время как чистый алюминий при 660 градусах. Многофазные эвтектические композиции с ALSI имеют еще более низкие эвтектические температуры. При температуре ниже 580 градусов растворимость многих нежелательных элементов в жидком алюминии, которая зависит от состава растворяющей среды и температуры, уменьшается. В третьих, кремний является наиболее подходящим элементом для всех сплавов, используемых для получения кокильного литья [12].

Существующие форсуночные пламенные  печи для плавления алюминия действуют  по принципу непосредственного нагрева  пламенем и отработанные газы имеют  относительно высокую температуру. В обычных плавильных печах может  быть использовано тепло горячих  газов, образующихся при сгорании углеродсодержащих  материалов, например топливной нефти, натурального газа, измельченного угля и других, обеспечивающих температуру  в области 1650-1875 градусов Цельсия, выходящие  в дымоход топочные газы имеют  температуру в интервале 1100-1375 градусов.

Рис.2.3.3. Высокоэффективная  установка для плавления алюминиевого лома

При использовании обычных печей  с непосредственным обогревом расход топлива составляет 1100-2000ккал/(ч*кг) расплава алюминия, тепловой КПД этой операции достаточно низок, менее 30%, а  во многих случаях он составляет 10-20 %.

Алюминиевые отходы, образующиеся при металлообработке, например, токарная и сверлильная стружка, опилки и др., как правило, содержат смазочные масла и другие углеводородные смеси, которые необходимо удалять для предотвращения загрязнения окружающей среды в процессе плавки. Сырьё сначала подвергают высушиванию, а затем подают в камеры сгорания с целью сжигания углеводородов, выделяемых из лома при просушке [14].

Тепловой КПД процесса можно  повысить до 40-50 % при использовании  интегральных плавильных систем.

Высокоэффективная система плавки включает рециркуляцию части горячих  газов, осуществляющих плавление алюминия в рабочем пространстве печи на стадии предварительного нагрева лома: остальная  часть горячих газов используется в рекуператорах для предварительного нагрева воздуха, подаваемого для  сжигания углеводородного топлива. Таким образом теплосодержание  горючих примесей также используется в данной системе.

Схема процесса показана на рис. 2.3.3. Камера сгорания 1 включает секции сгорания 3 и дожигания2. Топливо 4 и воздух 5 подают в определённых соотношениях, вместе с рециклируемым потоком горячих газов они попадают в зону дожигания. Выходящие газы, нагретые до температуры 1100-1375 градусов, подаются далее в плавильную печь 10 для расплавления алюминиевого лома, доставляемого из камеры предварительного нагрева 12 или 12а. Камера предварительного нагрева 12 состоит из вращающейся сушильной печи, используемой для размельченных материалов и камеры 12а для приема прессованного лома [15].

Часть отходящих горючих газов 11 из плавильной печи проходит через  устройство для предварительного нагрева лома (до 480 град.) перед подачей в печь; газы вентилятором 13а возвращаются в секцию дожигания 2. Остаток выходящих газов подается в рекуператор 8 через байпасную линию с заслонкой 9 и по линии 7 направляется в дымоход. По мере образования расплава алюминий выпускается из печи через отверстие 10а. Заслонка 13 позволяет регулировать подачу газов в камеру 12 для поддержания постоянного температурного режима.

Для полной утилизации тепла целесообразно  отводить горячий газовый поток  из печи непосредственно в рекуператор 8 для обогрева трубок 6 с целью  предварительного нагрева воздуха 5, питающего горелку 3 камеры сгорания. Газы, направляемые в дымоход по линии 7, имеют температуру порядка 650-820 град.

При плавлении алюминия требуется  около 462 кДж/кг для предварительного нагрева до температуры 480 град. Примерно 714 кДж/кг передаются загруженной массе  путем контакта с расплавом. В  результате теплообмена температура  отходящих газов снижается до 650-820 град. вместо 1100-1375 град. Цельсия, характерных для плавильных печей с непосредственным обогревом пламенем [1].

Изделия из алюминия или его сплавов широко используются как конструкционные элементы, например в строительстве, благодаря их малому весу и коррозионной стойкости. По этой причине количество механически обрабатываемого алюминия увеличивается из года в год. Увеличение количества продукции, производимой методом экструзии, приводит так же к росту отходов и обрезков сплавов алюминия. Значительное количество лома образуется при холодной обработке алюминия давлением и сборке. Общее количество алюминиевого лома, образующегося при производстве и сборке конструкционных элементов, может достигать 20-30% от массы исходного сырья.

Таким образом, возникает необходимость  в разработке методов эффективной  переработки таких отходов.

Известные процессы переработки лома включают стадии плавления и формования заготовок с последующей штамповкой. Однако этот метод требует добавления первичного металла на стадии плавления  для обеспечения необходимых формовочных качеств. Кроме того, недостатком таких процессов является их высокая энергоемкость и большие потери металла.

Хорошо известно, что алюминий представляет собой металл с относительно высокой  способностью к уплотнению. Такое  его свойство должно быть большим  преимуществом при переработке  штампованием, однако на практике оно  создает много проблем, связанных  с получением изделий, свободных  от раковин и пустот, достаточно плотных и без наростов на поверхности [17].

Необычайно трудно получить изделия, свободные от раковин и наростов с использованием простой аппаратуры и низкими энергозатратами. Для устранения этих дефектов требуется сложная многоступенчатая технология.

В настоящее время по объему производства алюминий занимает первое место среди цветных металлов, и производство его постоянно  расширяется.

2.4. Установки для  утилизации (переплавки) алюминиевого  лома и шлаков

В течение 2008 – 2010 г.г. Совет  промышленных предприятий вторичной  цветной металлургии осуществляет мониторинг ситуации на рынке металлического лома и вторичных цветных и  черных металлов. В результате мониторинга  установлено, что отмена НДС на лом  цветных и черных металлов оказала  оздоравливающее влияние на рынки  этой продукции.

Существует множество  печей, которые можно использовать для переплавки алюминиевого лома. Решение о том, какую печь применить, зависит от типа лома, его количества, состояния и предполагаемого  конечного продукта переработки.

Наклонная цилиндрическая печь

Первой из представленных в нашем литературном обзоре печью является наклонная цилиндрическая печь (рис 2.4.1). С момента разработки данной модели поставлено уже более 250 единиц печи. 

Наклонная цилиндрическая печь применяется для плавки лома, алюминиевых  чушек и алюминиевых отходов  после литья. Этот вид лома имеет  относительно высокую удельную плотность, что облегчает погружение материала  в ванну после загрузки. Как  правило, на поверхности лома остается некоторый остаток в виде смазки с прессформы, который выгорает при загрузке. Поэтому важно не допускать контакта кислорода с металлом для минимизации отложений окалины [16].

Рис 2.4.1. Наклонная  цилиндрическая печь

Наклонная цилиндрическая печь оснащена наружным загрузочным приемником для подачи лома в печь. Приемник отделен от основной камеры погруженной  дугой или вертикальной поднимающейся  дверкой. Напротив приемника может  устанавливаться сушильный под  для предварительного разогревания чушки или застывшего металла («козла») (см. рис 2.4.2).