Производство вторичного алюминиевого сырья

• Введение
• Глава 1. Потенциальные источники вторичного алюминия в России
• Производство вторичного алюминия в России
• Глава 2. Инновационные способы получения алюминия из вторичного сырья
• Литература

Главными преимуществами рециклинга алюминия по сравнению с производством первичного металла являются экономия рудных и энергетических ресурсов, существенное снижение вредного воздействия на экологию и утилизация отходов потребления. В разных сферах потребления используются разные по химическому составу и свойствам алюминиевые сплавы, что существенно влияет на производственно-технологическую организацию переработки алюминиевого вторсырья. Поэтому необходимо учитывать объем и структуру потребления алюминия в России для оценки потенциального объема и структуры образующегося алюминиевого вторичного сырья.

Глава 1. Потенциальные источники вторичного алюминия в России

Главными преимуществами рециклинга алюминия по сравнению с производством первичного металла являются экономия рудных и энергетических ресурсов, существенное снижение вредного воздействия на экологию и утилизация отходов потребления. В разных сферах потребления используются разные по химическому составу и свойствам алюминиевые сплавы, что существенно влияет на производственно-технологическую организацию переработки алюминиевого вторсырья. Поэтому необходимо учитывать объем и структуру потребления алюминия в России для оценки потенциального объема и структуры образующегося алюминиевого вторичного сырья.

Рис.1. Производство и экспорт вторичного алюминия и алюминиевого лома в России

Производство вторичного алюминия в России

В России действуют около 440 предприятий, перерабатывающих алюминиевый скрап, которые можно разделить на три группы.

Первая группа — предприятия бывшего Вторцветмета:

ОАО «Подольский завод цветных металлов» в Московском регионе; ОАО «Сухоложский завод Вторцветмет» в Свердловской области;

ОАО «Пермцветмет» в Перми; ОАО «Мценский завод «Орловские металлы» около Орла. Производство Подольского завода цветных металлов составляет около 40 тыс. т сплавов, Сухоложского завода «Вторцветмет» — 30 тыс. т, «Пермцветмета» — 35 тыс. т, Мценского завода около 10 тыс. т.

Вторая группа — металлургические предприятия: Самарский металлургический завод, Белокалитвенское металлургическое производственное объединение (Ростов), Красноярский металлургический завод, Ступинская металлургическая компания (Московский регион), Каменск-Уральский металлургический завод (Свердловская область).

Третья группа — остальные предприятия, созданные в основном за последние десятилетие. Большинство таких предприятий обладают мощностями 100−2000 т продукции в месяц. Совокупный выпуск этих организаций превышает 50% от общего производства вторичного алюминия. В большинстве случаев эти предприятия изготовляют низкосортные сплавы. Однако некоторые из них выпускают высококачественную продукцию. В число таких предприятий входят завод ВМС в Подольске (50 тыс. т) и «Цветметобработка» (холдинг «Цветметсервис») в Самаре.

В 2004 г. объем производства вторичного алюминия составил 620 тыс. т (рис.1). За последние 10 лет максимум выпуска вторичного алюминия был достигнут в 2000 г. — 660 тыс. т. Экспортируется около 70% вторичного алюминия. Начиная с середины 90-х гг. возникло множество мелких переработчиков вторичного алюминия, которые, применяя примитивные технологии и оборудование, стали изготавливать сплавы типа АК5М2 (60% в структуре производства вторичных сплавов в России) и АВ87-АВ97 (20%) невысокого качества, которые на мировом рынке проигрывают в цене сплавам типа DIN 226 и рассматриваются как дешевое сырье для производства качественных вторичных сплавов. По оценкам зарубежных экспертов, в 2000 г. лишь 30% российских вторичных сплавов соответствовали по качеству мировому уровню.

Таблица 2. Расчетные срок службы и выход отходов алюминиевых изделий в России в отраслях*

* По данным 1993 г., скорее всего они рассчитывались в еще СССР.

Недостаточная промышленная активность предприятий, перерабатывающих алюминий в России, и низкий уровень потребления алюминия в последние 12 лет привели к тому, что для рециклинга алюминия стало поступать мало оборотного или «нового» скрапа — отходов металлообрабатывающих и машиностроительных заводов, во вторичные сплавы превращается главным образом амортизационный или «старый» скрап — лом использованных изделий, а преобладание экспортной составляющей в работе заводов вторичного алюминия способствует постепенному исчерпыванию сырьевых запасов. Это подтверждают данные по изменению структуры алюминиевого скрапа в России (табл.1). В соответствии с прогнозными оценками поставки первичного алюминия на внутренний рынок вырастут до 1,3 млн. т в 2010 г. При этом большая часть алюминия будет использована для производства изделий и потребления в России. Это создаст условия для наращивания поступления «нового» скрапа на рынок.

Структура алюминиевого вторсырья зависит от структуры потребления металла. В табл.2 показаны расчетные сроки службы и выход отходов алюминиевых изделий в сферах их потребления в России.

вторичное алюминиевое сырье россия

Таблица 4. Структура потребления алюминия в России, %

В 1990 г. в России было использовано 1,93 млн. т алюминия. Структура его потребления показана в табл.3. Объем потребления алюминия в России в последние годы составлял около 450−500 тыс. т.

Данные из различных источников по структуре потребления алюминия в России по отраслям промышленности приведены в табл.4. Ведущими отраслями являются пищевая машиностроение и промышленность и упаковка. В табл.5 представлена структура потребления алюминиевых полуфабрикатов в России. Более половины проката используется для упаковки. В строительстве используется более половины прессованных изделий. Три четверти отливок применяется в транспортном машиностроении.

Таблица 5. Структура потребления алюминиевых полуфабрикатов в России, %

Структура потребления алюминия в ключевых развитых странах показана в табл.6. Основными областями применения алюминиевой продукции в мире являются транспортное машиностроение, строительство и упаковочные материалы, совокупная доля которых в промышленно развитых странах составляет около 70−80% общего потребления алюминия.

В Китае, занимающим второе место в мире после США по объему потребления алюминия, структура использования металла следующая: строительство — 38%, транспорт — 20%, общее машиностроение и электротехника — 22%, упаковка — 2%, прочее — 18%.

Основные области потребления алюминия

Рис.2. Потребление алюминия в индустриально развитых странах

Упаковка. Алюминий широко применяется для изготовления банок для прохладительных напитков, консервных банок, аэрозольных баллонов, оберточной фольги, блистерных упаковок, баков и пр.

Упаковка потребляет около 21% общего количества алюминия — и эта цифра остается сравнительно постоянной. В США доля упаковки составляет 28%. В последние годы мировое потребление алюминиевых полуфабрикатов, включая отливки, находится в среднем на уровне 22 млн. т. Следовательно, на упаковку расходуется около 4,5−4,7 млн. т алюминия.

Алюминий используют для изготовления различных видов упаковки: гибкой, полужесткой и жесткой. Гибкая упаковка, в том числе ламинаты, основана на применении алюминиевой фольги толщиной 0,006−0,05 мм. В Европе гибкая упаковка по массе потребляемого алюминия составляет примерно 40% от общего его количества алюминиевой упаковки. На полужесткую упаковку (контейнеры, лотки для готового и подогреваемого питания и т. п.), которую производят из толстой фольги и тонкой ленты в диапазоне толщин 0,05−0,2 мм, расходуют еще 27% общего количества упаковочного алюминия. На жесткую упаковку (банки для напитков и консервов, аэрозольные баллоны, тубы, крышки) — 33%.

Общеевропейские пропорции распределения алюминия по видам упаковки приблизительно соблюдаются и в России. Так, в России на долю фольги приходится 57%, а в мире (с учетом тонкой ленты в полужесткой упаковке) — 53%. Потребление алюминиевых банок в России растет довольно активно. Очевидно, эти соотношения будут соблюдаться и в дальнейшем при росте российского рынка, поскольку типы пакуемой в алюминий продукции (продукты питания, включая напитки) фармацевтика, средства гигиены и т. п.) аналогичны практически во всей Европе и в мире.

Таблица 9. Варианты прогнозируемого потребления алюминия в России в 2010 г., тыс. т

* На душу населения

Ожидается, что в 2010 г. потребление алюминия в упаковке в России достигнет 200−300 тыс. т. Распределение по отдельным позициям при соблюдении общемировых пропорций представлено в табл.9.

Приведенные данные предусматривают средний ежегодный рост 10−13%. Этот рост по отдельным позициям может быть обеспечен следующими факторами:

1) рост потребления фольги будет происходить в значительной степени за счет увеличения применения гибкой упаковки, например, в производстве соков, в кондитерской упаковке и т. д., а также развития рыка пищевых контейнеров;

2) увеличение потребления банок для напитков.

Структура потребления упаковочной фольги в России: продукты питания — 45%, табачные изделия — 35%, лекарства — 15%, рулоны домашней упаковки — 5%.

Степень рециклинга алюминия из банок выше, чем у любого другого упаковочного материала, и в мировом масштабе превышает 50%. В Западной Европе она равна 45%. Жизненный цикл алюминиевой банки не превышает одного года. Коэффициент сбора использованных банок в России составляет не более 20%, и лишь половина собранных банок возвращается в производство баночной ленты. В мировом производстве вторичного алюминия металл, извлеченный при переработке использованной алюминиевой баночной тары, занимает заметное место. В 2000 г. за счет такого металла было получено почти 1,2 млн. т из произведенных 9,1 млн. т вторичных алюминиевых сплавов. Рециклирование алюминиевых банок позволяет экономить до 57 МДж/кг энергии по сравнению с первичным алюминием, получаемым электролизом из бокситов.

Экспорт баночного лома из России в 1999 г. составлял 300 т, в 2000 г. — 900 т, в 2001 г. — 600 т.

Алюминиевую банку как объект плавления отличает малая масса, небольшая толщина стенок, не превышающая нескольких десятых долей миллиметра (табл.10), наличие на внутренней и внешней поверхностях лакового покрытия толщиной порядка 0,02 мм, содержащего в наружном слое лака красящие неорганические пигменты (ТiO2, ZnO, ZnS, Fe2O3, Cr2O3, РbСO3, РЬ3O4, CdS, CoO и др.), а также присутствие в конструкции двух различных по химическому составу сплавов (табл.10,11).

При совершенствовании организации сбора использованных банок с учетом роста годового потребления до 2,5 и 5 млрд. шт. банок коэффициент сбора может составить 25% и 35% соответственно, а потенциальный ресурс вторичных алюминиевых сплавов (при производстве в России) может повыситься от 1,6 до 19,6 тыс. т (табл.12).

Недостатком рециклинга алюминиевой упаковки является сбор лома, который распределен между мелкими единицами отходов потребления с малой массой алюминия. Сбор лома лучше организовывать в крупных населенных пунктах в местах массового скопления людей (стадионы, пляжи, места проведения праздничных мероприятий, парки и т. п.). Поскольку экономически нецелесообразно ломопереработчикам организовывать сбор отходов алюминиевой упаковки, то им нужно взаимодействовать с муниципальными властями или фирмами, специализирующимися на сборе муниципальных отходов, что можно наблюдать в Москве.

Глава 2. Инновационные способы получения алюминия из вторичного сырья

Термин «алюминиевый лом» обычно относится к сплавам, содержащим минимум 70% А1, и которые не могут использоваться как товарный продукт ввиду высокого содержания примесей, таких как железо, медь, марганец, титан, кальций, хром, фосфор, цинк, никель и других, менее распространенных.

Как правило, чистота хорошо отделенного алюминиевого лома составляет 99% и более, однако часто встречается лом, загрязненный другими материалами. Нержавеющая сталь является особенно вредной примесью, так как она не отделяется магнитным методом, трудно определяется визуально и растворяется в расплавленном алюминии гораздо быстрее обычной стали. Чистый цинк присутствует в некоторых видах стружки, литья и в баночных крышках. Примеси магния, чистого или в виде сплава, также 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 и резина — основные источники загрязнения воздушной атмосферы при плавке лома, и если таких материалов слишком много, выделение металла становится невыгодным.

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, или 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.

Установлено, что в США от 10 до 20% А1, выпускаемого в обращение в виде промышленных или потребительских 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, но 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 металл поставлен производителю данного изделия. Большинство производителей алюминия и некоторые фирмы по изготовлению консервных упаковок осуществляют широкие программы по вторичному использованию алюминиевых емкостей.

Процесс, разработанный X. Мартином (патент США 3 900 313,19 августа 1975 г.), 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.

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 также 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.

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 алюминиевого лома.

Рассматриваемый 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 этих частиц и отделения их от жидкости при температуре близкой к эвтектической температуре AlSi.

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 AISi отверждается при 580 °C, в то время как чистый алюминий при 660 °C. Многофазные эвтектические композиции с AISi имеют еще более низкие эвтектические температуры. При температурах ниже 580 °C 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.

Загрузка металла

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

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

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

Тепловой к. п. д. процесса можно повысить до 40−50% при использовании интегральных плавильных систем, разработанных В. Е. Стефенсом (патент США 4 010 935, 8 марта 1977 г.; фирма «Алюмакс Инк. «).

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. 7. Камера сгорания 1 включает секции сгорания 3 и дожигания 2. Топливо 4 и воздух 5 подают в определенных соотношениях, вместе с рециклируемым потоком горячих газов они попадают в зону дожигания.

Выходящие газы, нагретые до температуры 1100−1375°С, 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.

Часть отходящих горючих газов 11 из плавильной печи проходит через устройство для предварительного нагрева лома (до 480°С) 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 расплавленный 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 обогревания 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°С.

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

Изделия из алюминия или из его сплавов широко используются как конструкционные элементы, например в строительстве, благодаря их малой массе и коррозионной стойкости. По этой причине количество механически обрабатываемого алюминия увеличивается из года в год. Увеличение количества продукции, производимой методом экструзии, приводит также к росту отходов и обрезков 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.

Было предложено подвергать штамповке непосредственно лом алюминия и его сплавов (см. патенты США 2 391 752 и 2 302 980). В патентах указывается, что одной из главных проблем прямой штамповки алюминиевого лома является наличие оксидного покрытия или оксидных пленок, покрывающих поверхность алюминиевого лома. Если давление в ходе переработки недостаточно для их разрушения, пленки предотвращают плотный контакт металлических поверхностей, что приводит к получению неоднородных изделий с низкой механической прочностью.

Предлагается подвергать алюминиевый лом давлению 0,4−1 т/см² в экструдере при температуре 300 °C с целью разрушения оксидных пленок и далее штамповать лом и отходы при давлении 2,2−5 т/см² при температуре 350−450°С. Установлено, что такой технологический процесс эффективен в решении проблемы оксидных пленок, однако при этом остаются проблемы, связанные с наличием воздуха в экструдере.

Наличие воздуха в обрабатываемой массе создает сопротивление движению пуансона и приводит к появлению раковин в полученных изделиях, т. е. к снижению их качества, в частности прочности. Далее, в реальных условиях производства довольно трудно загружать мелкоизмельченный лом в экструдер и точно регулировать его количество, необходимое для каждой нагрузки. Такой процесс загрузки требует значительного времени и приводит к тому, что температура сырья падает ниже температуры, требуемой для штамповки.

Т. Такахаши, Т. Нагано, К. Накамура, М. Кикучи (патент США 4 028 795.14 июня 1977 г.; фирма «Рикен Кейкензоку Цогио КК», Япония) разработали усовершенствованный процесс, в котором лом, отходы алюминия или его сплавов подвергаются измельчению и превращаются в цилиндрические заготовки с последую щей их штамповкой при соответствующей температуре. Особенностью метода является вакуумирование до или в процессе штамповки для удаления воздуха" присутствующего в сырье.

Аналогичный процесс разработан Т. Таханаши, Т. Нагано, К. Накамура и др. (патент США, 4 033 024, 5 июля 1977 г.) и Т. Такахаши, Т. Нагано, С. Игучи и др. (патент США 4 050 142, 27 сентября 1977 г. и 4 117 703, 3 октября 1978 г.; фирма «Рикен Кейкензоку Когио КК», Япония).

Недостатком проведения штамповки в вакууме является ограниченная скорость откачивания газов вакуумными насосами. Следовательно, необходимость вакууми-рования сильно уменьшает коэффициент использования пресса.

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.

При сжатии частиц, составляющих лом, они деформируются. Повышение давления приводит к контакту отдельных частиц и их уплотнению в единое тело. На этой стадии объединение отдельных частиц в общую массу завершается очень быстро в силу высокой способности алюминия к уплотнению. При этом воздух захватывается частицами лома и не может выйти из металла, что приводит к образованию раковин в готовом продукте. Раковины и сквозные отверстия обусловливают ухудшение таких механических свойств как прочность и коррозионная устойчивость.

Вследствие этих дефектов в ходе штамповки вблизи поверхности образуются вспученные участки, что значительно ухудшает внешний вид изделия. Эти участки вспучивания называются наростами. Продажная стоимость таких изделий значительно снижается.

Таким образом, теоретически, штамповка алюминиевого лома в вакууме или проведение вакуумирования после сжатия алюминиевого лома в сплошную массу, по плотности близкую к теоретически возможной плотности металлического алюминия, обладает заметными преимуществами. Такой метод позволяет устранить образование раковин или сквозных отверстий в процессе обработки лома путем сжатия, нагрева и штампования. Однако его недостатками является большой расход энергии и необходимость создания крупногабаритных установок.

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

Такой усовершенствованный процесс предложен А. Асари и К. Татсуно (патент США 4 059 896, 29 ноября 1977 г.; фирма «Кобе Стил Лтд», Япония), процесс предназначен для переработки алюминиевого лома в конечные изделия путем сжатия, нагревания и штамповки.

Процесс включает стадию прессования алюминиевого лома при обычной температуре в заготовки, имеющие плотность 1,8−2,4 г/см³, с последующим нагреванием при 350−550°С, прессованием нагретых заготовок в плотную массу плотностью около 2,4 г/см³ в пресс-формах при соблюдении условия, что давление воздуха по периферии слитка ниже чем в центральной его части. Затем заготовки подвергают штамповке при соблюдении вышеуказанных условий. В результате получается конечное изделие без раковин и наростов, хорошего качества; вследствие малых размеров установки расход энергии невелик.

Системы рециклизации металлического лома, как правило, должны быть по крайней мере конкурентоспособны с промышленными способами производства данного металла. Конкурентноспособность обеспечивается за счет высокой эффективности переработки, что требует специальных конструктивных решений для переработки лома определенного типа. Следует отметить, что для лома легких металлов, в частности алюминия, характерно значительное разнообразие компонентов, входящих в его состав (от отходов переработки металлического алюминия на ранних стадиях до готовых изделий, например алюминиевых емкостей).

Лом алюминия может представлять, например, обдирную крошку. Она получается при подготовке поверхности заготовок для прокатки, плакировки или любой операции, при которой требуется устранение неровности поверхности. Срезаемая с поверхности крошка может при этом составить до 6% от массы исходной заго_товки. Другая разновидность лома состоит из алюминиевых упаковок напитков и ДРУ^ГИХ банок. Их утилизация служит сохранению природных ресурсов и предотвращению загрязнения окружающей среды.

Для переработки этих двух типов лома характерны проблемы разного типа. Например, упаковки и банки обычно имеют широкий разброс размеров — от относительно небольших кусков до деформированных полых емкостей. Часто банки имеют отверстия, сделанные для удаления лака и краски с помощью растворителей. Эти отверстия способствуют прохождению массы растворителя через внутренние части емкостей, однако приводят к образованию зазубренных краев, что вместе с разнородностью форм и размеров банок делают такой лом относительно нетекучим при перемещении. Кроме того, такой лом имеет тенденцию всплывать в плавящей среде, и требуются специальные устройства для его погружения с достаточным усилием. Особый тип оборудования для работы с таким ломом разработан в патенте США 3 873 305, где вращающаяся воронка клинообразной формы с силой погружает лом в среду плавления. В этой системе предусмотрено дополнительное оборудование для рециркуляции расплава.

Что касается обдирной крошки или лома, обладающего способностью к текучему перемещению — стружек, обрезков или даже небольших кусков металла, то они не представляют больших трудностей для погружения в жидкую среду, в отличие от описанного выше контейнерного лома. Тем не менее, крайне необходимо, чтобы этот всплывающий лом расплавлялся и утилизировался с высокой эффективностью, обеспечивающей конкурентоспособность процесса вторичного использования по сравнению с промышленными методами получения самого алюминия.

Для легкоокисляемых металлов, например алюминия, которые используются для изготовления упомянутых выше жестяных банок для напитков и консервных банок, важно обеспечить в плавильной системе максимальную теплопередачу. Также важно подвергать погруженный лом интенсивному перемешиванию в расплаве для уменьшения окисления расплава. Окисление приводит к образованию шлака, что всегда является проблемой при утилизации легко окисляющихся металлов, каким является алюминий.

Шлак состоит из оксида алюминия, А1₂0₃ и расплавленного алюминия, вкрапленного в шлак. Количество этого нежелательного продукта должно быть сведено к минимуму не только для уменьшения потерь металла, а также в силу его свойства действовать как теплоизолятор. При отдаче тепла нагретыми газами поверхности расплава плавающий шлак снижает теплопередачу и уменьшает нагрев среды плавления. Кроме того, плавающий шлак при отражении тепла значительно укорачивает время эксплуатации оборудования в силу его постоянного перегрева.

Усовершенствованное оборудование разработали Дж. X.Л. ван Линден, Р. Дж. Клакстон, Дж.Р. Харрик и Р. Дж. Ормшер (патент США 4 128 415, 5 декабря 1978 г.; фирма «Алюминиум Компани оф Америка»). Устройство (рис.8) предназначено для плавления металлического лома в среде расплава, цилиндрический корпус имеет верхний и нижний отсеки. Металлический лом вводится в расплав, находящийся в верхней части камеры. Расплав подается под действием турбинной мешалки, расположенной в нижней части и смонтированной на вертикальном приводе.

Расплав циркулирует из ванны нагрева 2 по линии 4 в камеру 5 с помощью насоса, загрузка лома и плавление проводятся непрерывно. Затем расплав направляется назад в ванну нагрева по линии 6, которая может включать камеру флюсования. Ванна нагрева может иметь линию вывода 3, через которую в процессе циркуляции может выводиться расплавленный металл со скоростью, соизмеримой со скоростью загрузки лома в камеру 5. Этот тип циркуляционной системы (позиция 1) очень эффективен в использовании подводимого тепла, особенно в том случае, когда в процесс включена камера флюсования и образования шлака ^не происходит.

Плавильная среда может нагреваться в результате сгорания топлива и передачи тепла поверхности. Можно также использовать электронагреватели, погруженные в расплав.

Плавильной средой может быть расплавленный металл того же состава, что ^и подаваемое сырье, либо расплавленная соль. При использовании соли, как правило, необходимо осуществлять операцию разделения соль-металл для выделения чистого алюминия. В случае использования в качестве плавильной сред металлического алюминия температура массы после ванны нагрева обычно составляет около 760 °C, температура может изменяться в пределах 720−800°С, однако при более высоких температурах наблюдается сильная тенденция к шлакообразованию. Обычно температура расплава на входе в ванну нагрева составляет около 700 °C. Падение температуры на 60 °C происходит в основном в камере плавления тепло идет на расплавление алюминиевого лома.

Рис. 8. Установка для переработки алюминиевого лома в плавильной ванне

Камера 5 предназначена для загрузки металлического лома 9, циркуляции плавильной среды 8 и плавления лома, все эти операции проводятся непрерывно.

Как было отмечено, камера 5 является круглой в поперечном сечении и чаще всего изготавливается цилиндрической формы или в виде сходящегося вниз конуса, как это показано на рис. 9.

В ходе работы установки расплав циркулирует из ванны нагрева в камеру 5 и возвращается назад с помощью вращающейся турбинной мешалки, обозначенной 15. Работа мешалки, расположенной в нижней части 16, обеспечивает циркуляцию в системе, поднимает плавильную массу в верхнюю часть 18 камеры 5. Таким образом, мешалка непрерывно пополняет массу плавильной среды.

Лом 9 подается в камеру 5 по транспортеру 10, где он захватывается плавильной средой. Смесь плавильной среды и расплавленного металла выходит через отверстие в верхней части 18 камеры 5 со скоростью, соизмеримой со скоростью подачи. Эта смесь может подаваться в зону флюсования для удаления шлака.

Металлический лом плавится в камере 5, при этом не возникает проблем с возможным заклиниванием лома в мешалке или застреванием предметов между мешалкой и стенкой 13. При подаче расплава из нижней части 16 устройства 5 поток регулируется таким образом, чтобы образовывались завихрения 12. Эти завихрении эффективно обеспечивают погружение и затягивание лома в плавильную среду. Поток плавильной среды, подаваемый мешалкой 15, регулируется лопатками 17, выступающими от подвижного вала 19. Лопатки 17 смонтированы на валу и непосредственно примыкают к турбинной мешалке.

Следует отметить, что лопатки могут монтироваться так, чтобы они радиально расходились от турбины. Вращение вала мотором 20 обеспечивает заполнение плавильной средой камеры 5 и эффективное погружение и плавление металлического лома.

Плавильная среда в камере 5 с силой отбрасывается вниз под действием лопаток и выталкивается вверх вблизи стенки И. Необходимо отметить, что подобное описание является упрощенным представлением о движении частиц расплава в завихрениях. Очевидно, что помимо потоков вверх и вниз имеется еще и значительное круговое движение, возникающее под действием турбины и лопаток.

В металлургической практике и особенно в алюминиевой промышленности одна из главных проблем при обработке лома состоит в удалении масел, остающихся на поверхности после машинной обработки. Большое количество листового лома и отходов фольги образуется при производстве листового алюминия и калиброванной по толщине алюминиевой фольги. Эти отходы сильно загрязнены маслом и различными добавками, имеющими широкий диапазон температур кипения — от 65 до 600 °C.

В процессе прокатки образуется два типа маслосодержащего лома: обрезки и так называемый машинный лом. Первый возникает при обрезке кромок листов при прокатке и намотке в рулоны или в процессе продольной резки рулонной полосы. Машинный лом в основном состоит из нестандартных и бракованных материалов. Лом может состоять из ненужных отходов — проволоки, кабелей, деталей автомобилей и станков, стружки любой формы и размера. Лом обычно брикетируется в удобной для переработки форме с обрезками и машинным ломом; плотность брикетов составляет от 30−40 до 60% от плотности металлического алюминия.

При помещении загрязненных брикетов в печь масло воспламеняется и в процессе плавления выделяется черный дым. Пламя при горении масла повышает поверхностную температуру брикетов и приводит к образованию дополнительного количества окислов, что обусловливает образование шлака и потери расплава. Потери происходят не только в результате превращения части металла в шлаки, но и за счет вкрапления металлического алюминия в шлак. Количество шлака может меняться, в среднем оно составляет 20% (по массе) от количества перерабатываемого алюминия. По этой причине очистка лома от масла крайне важна, поскольку она значительно повышает выход алюминия. Кроме того, при предварительном удалении масел требования по качеству воздуха, установленные Агентством по защите окружающей среды (ЕРА), могут быть соблюдены, поскольку количество дыма, выделяемого при плавлении, значительно уменьшается.

Усовершенствованный метод разработан Дж.М. Картансом и Р. М. Нилом (патент США 4 141 373, 27 февраля 1979 г.; фирма Джейр Эрчер, Инк. «), для удаления масел из металлического лома. Он включает стадию загрузки загрязненного лома в герметическую камеру, вакуумирование, нагрев массы до испарения масла и удаление испаренного масла из камеры.

Хорошо известно, что покрытия, например лаки, и другие поверхностные загрязнения алюминиевых консервных упаковок необходимо удалять до плавления с целью уменьшения последующих потерь металла. В одном из методов предварительной очистки используется растворитель ацетон, удаляющий значительную долю лака, масла и других загрязнений.

Однако наиболее распространенный метод очистки заключается в использовании печей для удаления лака, в которых изделия непрерывно проходят через зоны с повышающейся температурой постепенно достигающей 550 °C, при этом загрязнения испаряются и удаляются. После пребывания лома в печи в течение Достаточно длительного времени он содержит очень небольшое остаточное количество лака.

Для лома, состоящего из алюминиевых консервных упаковок, процесс удаления лака значительно повышает стоимость регенерируемого алюминия. Кроме того, Удаление лака в печах требует постоянного обслуживания и дополнительного времени для ремонта. Например, если температура в печи превысит 565 °C, поверхностные покрытия могут воспламениться с образованием пламени, распространяющегося по печи. Для предотвращения таких явлений необходим тщательный контроль, что в свою очередь также удорожает процесс выделения алюминия.

Усовершенствованный процесс, разработанный Р. Е. Миллером (патент США ^/}147 531, 3 апреля 1979 г.; фирма «Алюминиум Компани оф Америка»), включает бедующие стадии: непрерывную подачу загрязненного лома на поверхность потока расплавленного металла; прямолинейное продвижение плавающего лома по поверхности расплава в течение времени, достаточного для его нагрева н обеспечения полного удаления загрязнений из лома; принудительное погружение очищенного лома в поток расплава.

Система, обеспечивающая удаление загрязнений с поверхности лома, включает желоб для движения расплавленного металла, приспособление для продвижения расплава по желобу, устройство для продвижения плавающего лома по поверхности расплава и для погружения лома в расплав после полного удаления примесей.

Установка для осуществления этого процесса показана на рис. 9. Двухкамерная плавильная печь 1 включает камеру для сбора шлака 4 и камеру нагрева 2, разделенные стенкой 3; однако расплавленный металл может свободно перетекать по печи из камеры сбора шлака в камеру нагрева.

Печь включает также боковую емкость — желоб 12, через который может циркулировать расплавленный металл, с узкой секцией 7, в которой в основном реализуется процесс.

Насосом 5 обеспечивается непрерывная циркуляция расплавленного металла через боковой желоб и печь.

На рис. 9 показаны также расположенный в верхней части бункервибрационный транспортер 10 и скат 9. В бункере может храниться большое количество лома, который по вибрационному транспортеру подается на обработку. Скат 9 расширяется книзу к поверхности 16 расплавленного металла 18. Предпочтительно располагать скат под таким углом наклона (достаточно малом), чтобы предотвратить погружение падающего на расплавленную поверхность лома.

Скорость вибрации транспортера определяется скоростью подачи и, как следствие, количеством лома, непрерывно подающегося на поверхность расплавленного металла, а также толщиной слоя плавающего лома. Как будет подробно рассмотрено, толщина слоя лома на поверхности должна быть такой, чтобы горючие вещества на поверхности лома непрерывно сгорали или испарялись до насоса 5, создающего погружающий поток.

В этом процессе могут использоваться различные типы загрязняемого лома, включая каркасный лом, лакированные емкости, покрытую маслами алюминиевую крошку, стружки и опилки. Так как каждый из указанных типов лома может иметь различную плотность, размер, массу, различные количества загрязняющих веществ, то можно изменять режим работы вибрационного транспортера 10, высоту и угол наклона ската 9 для регулирования (увеличения или уменьшения) поверхностной турбулентности и погружаемости различных видов лома, подаваемого на поверхность расплавленного металла 16.

Процесс реализуется в зоне лакоили маслоудаления, предпочтительно в линейной секции 7 открытого желоба 12.

В конце нисходящего ската — Р расположен вращающийся цилиндр 8, так называемый питатель — воспламенитель, который направляет лом на поверхность расплавленного металла 18, прижимает лом достаточно плотно к расплаву с целью поджога горючих материалов в ломе и продвигает слой лома прямолинейно по поверхности потока расплава с заранее заданной скоростью, не зависящей от скорости движения расплавленного металла.

Как правило, питатель-воспламенитель представляет собой вращающийся огнеупорный цилиндр, практически такой же ширины как и желоб, ось которого перпендикулярна направлению потока металла. Цилиндр расположен в нижней части ската таким образом, что лом со ската попадает на поверхность расплава под внешнюю периферию рабочей поверхности цилиндра. Это устройство предназначено для контроля за скоростью движения лома по поверхности расплава; оио также обеспечивает создание плотного контакта лома с поверхностью расплава.

Цилиндр расположен таким образом, что не касается расплава, но оказывает нажим внешней периферической частью. Цилиндр 8 может подниматься в случаях, когда увеличивается подача лома. Цилиндр вращается на оси против часовой стрелки и направляет лом к создающему погружающий поток насосу 5 со скоростью, независимой от скорости движения расплава.

Выводящее устройство 6 расположено ниже по течению расплава относительно 8. Оно может также представлять собой огнеупорный вращающийся цилиндр. Скорости вращения цилиндров 8 и 6 могут не синхронизироваться, так как при прохождении зоны между входом и выходом по мере плавления лома его количество постепенно уменьшается. Как правило, при любом поперечном сечение массы лома на поверхности в зоне удаления лака при времени прохождения от 30 до 2 мин. по крайней мере 30% (по массе) алюминия расплавляется.

Время прохождения зоны удаления лака зависит не только от типа и количества лома, но и пропорционально скорости загрузки. При больших загрузках плавающего вещества больше, слой толще. Большая толщина требует большего времени для удаления примесей, так как источником тепла в зоне удаления лака является циркулирующий расплавленный металл, проходящий под массой лома на поверхности. Показанная на рисунке зона Z представляет собой часть желоба, в которой сгорают загрязнения; ее длина определяется по уменьшению высоты пламени по мере движения лома по поверхности потока. Выводящее устройство 6 в первую очередь служит для задержки частей лома, из которых выгорели не все вещества, до их попадания в зону действия насоса 5, иначе погруженные несгоревшие примеси могут привести к излишней потере металла и повышенному шлакообразованию.

Устройства 8 и 6 периодически могут входить в контакт с расплавленным металлом. При плавлении алюминия расплав циркулирует при температуре 700 — 60 °C; устройства 8 и 6, особенно 8, подвергаются воздействию высокой температуры при сгорании горючих веществ из лома. В связи с этим цилиндры надо изготавливать из долговечного огнеупорного материала. Нержавеющая сталь является приемлемым материалом, препятствием может служить ее дороговизна.

Огнеупорные материалы неметаллической природы также приемлемы для конструирования. Хотя 8, как правило, имеет вид цилиндра, возможны также устройства типа лопастного колеса.

Цилиндры 8 и 6 могут приводиться во вращение любыми приемлемыми способами: с помощью моторов и ручных валов, при помощи зубчатых передач. Следует отметить, что устройства для вращения должны быть стойкими к высоки* температурам или защищены от нежелательных тепловых воздействий и выделяющихся углеводородов, мешающих работе.

В описываемом процессе расплав алюминия 18 циркулирует из камеры для сбора шлака 4 в камеру нагрева 2 через боковой желоб 2, и назад в камеру для сбора шлака 4. Циркуляция расплавленного металла 18 и одновременно необходимые завихрения в потоке для погружения лома могут создаваться под действием центробежного насоса. В описываемой схеме процесса работа центробежного насоса (100 об/мин) или вертикальной проточной помпы (200 об/мин) должны обеспечивать циркуляцию расплавленного металла со скоростью ПО т/ч. Скорость прохождения расплава по желобу 7 должна быть достаточно большой для предотвращения отверждения металла и поддержания необходимой температуры для удаления загрязнений с поверхности лома. В большинстве случаев скорость составляет 0,9 — 1,0 кг/с.

По ходу процесса металлический лом непрерывно подается на поверхность расплава. Ломом могут быть вскрытые консервные упаковки, каркасный лом, стружки, замасленные опилки и прессованные брикеты. Такой лом может содержать лаковые покрытия, резиновые и пластиковые прокладки, консистентную смазку и масла, а также другие загрязнения, которые должны удаляться по ходу процесса до момента погружения лома, чтобы предотвратить потери металла и образование шлака. Характер и количество этих загрязнений зависят от происхождения лома.

Из этого следует, что время, необходимое для испарения и сжигания, может меняться для каждого типа лома, а также и для каждой загрузки одного типа. Предпочтительно проводить загрузку непрерывно, однотипным ломом (во всяком случае в течение определенного периода) для достижения максимальной стабильности процесса плавления.

Бункер 11 должен заполняться достаточным количеством перерабатываемого сырья для непрерывной его подачи. В зависимости от заполнения бункера может возникать необходимость его догрузки в ходе подачи. Лом может подаваться из бункера на скат 9 с помощью вибрационного транспортера 10 или другим известным способом.

Лом со ската 9 падает на поверхность 16 расплава 18 вверх по течению потока перед питателем 8. Боковины металлического желоба и питатель 8 служат естественным ограничением загрузочной площади 14 для лома. Эта площадь в совокупности со скоростью подачи определяет толщину слоя лома, подающегося на желоб и продвигаемого устройством 8. Расстояние между цилиндром и поверхностью расплава 16 может быть переменным, что позволяет контролировать толщину слоя лома. Она должна быть достаточной для подведения окружающего воздуха к лому, находящемуся в нижней части слоя и обеспечения процесса сгорания примесей. При большой толщине горения в нижней части слоя не происходит. Установлено, что при толщине менее 15 см обеспечивается хорошая глубина сгорания по всей толщине перемещающегося слоя.

В описываемом устройстве цилиндр 8, расположенный над поверхностью расплавленного металла 18, используется для подачи сырья в зону сгорания. Вращение цилиндра приводит к сцеплению и сжатию лома 13 в загрузочной зоне 14 под цилиндром без его погружения в расплав. Плавающий слой находится под давлением цилиндра 8 короткий период времени и не преодолевает силы поверхностного натяжения расплавленного металла; поверхность лишь несколько прогибается под цилиндром.