Ресурсосберегающая технология термофлюсового переплава стружки алюминиевых сплавов
стружка переплавка алюминий угар
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМОФЛЮСОВОГО ПЕРЕПЛАВА СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В.А. Кечин, В.Н. Шаршин, С.В. Скитович
Качество сплава, получаемого при переплаве отходов алюминиевых сплавов и, в частности, стружки, зависит от многих факторов, основными из которых являются: однородность состава, размер частиц, степень загрязненности, наличие влаги, масел и т.д. Наряду с этим, важное значение имеет тип используемого при этом плавильного агрегата - именно данный фактор многими авторами положен в основу классификации существующих технологических процессов переплава [1,2,3].
Поскольку переплав стружки связан с опасностью чрезмерного загрязнения расплава неметаллическими включениями и газами, поэтому необходимы, во-первых, качественная подготовка стружки к переплаву (дробление, сушка, удаление механических примесей черных сплавов и неметаллических загрязнений) и, во-вторых, глубокая очистка полученного расплава, требующая повышенного расхода электроэнергии, флюсов и рафинирующих газов.
На заводах вторичной цветной металлургии для переплава отходов алюминиевых сплавов широкое распространение получили топливные и электрические отражательные печи, а также индукционные печи большой емкости. Кроме того, применяют барабанные вращающиеся печи.
В литейных цехах машиностроительных предприятий для переплава стружки, как правило, используют стандартное технологическое оборудование: индукционные тигельные и канальные печи, электрические печи сопротивления, а также плавильные агрегаты специальных конструкций.
Типовой процесс плавки стружки в отражательной печи заключается в следующем. Стружку загружают на предварительно наплавленную жидкую ванну металла, причем ее масса должна составлять 30 - 40 % от массы всей загрузки. Перед загрузкой стружки ванну нагревают до 750-800°С и покрывают тонким слоем расплавленного флюса. Сыпучую стружку загружают в печь мульдами горкой (вьюнообразную - в виде пакетов), при этом ранее загруженную стружку слегка прижимают (утапливают) мульдой. После замешивания стружки кашеобразную массу доводят до полного расплавления и перегревают до температуры 800 °С, после чего приступают к загрузке следующей партии стружки. Расход флюса, в зависимости от окисленности стружки, может составлять 40 - 100 % от ее массы [1].
Основным недостатком процесса переплава стружки в топливной отражательной печи является повышенный угар алюминия (до 20 % и более), что объясняется интенсивным окислением при взаимодействии развитой поверхности стружки с печными газами [1,2].
Известна технология плавки стружки перегретым флюсом в установке, состоящей из двух печей. В отражательной печи, обогреваемой газовыми горелками, расплавляют флюс, теплом которого в другой печи плавят стружку и мелкие отходы. В качестве флюса применяют смесь состава, %: 50 KCl, 45 NaCl и 5 Na3AlF6. Извлечение металла при данном способе плавки составляет 97,5 % [2]. Однако значительный угар флюса и сложная конструкция установки не позволили данному способу получить широкого распространения.
Наряду с отражательными печами, широкое распространение получили индукционные канальные и тигельные печи, что обусловлено их высокой производительностью, а также наличием в большинстве литейных цехов машиностроительных предприятий, т.е. непосредственно в местах образования стружки. Кроме того, данные печи превосходят отражательные по санитарно-гигиеническим и технико-экономическим показателям [1].
На предприятиях вторичной цветной металлургии используют канальные печи емкостью 1,5 - 5 т [2] (10 - 22 т по данным [4]). Плавку стружки начинают с подготовки "болота", которое подогревают до 780°С и затем до полной вместимости загружают шихту. После расплавления шихты в печь загружают флюс состава, %: 64 хлоркалиевого электролита, 32 сильвинита и 4 криолита. В зависимости от вида и состояния стружки расход флюса колеблется от 1 до 10 %. Угар при плавке алюминиевой стружки в канальной печи составляет, ориентировочно, 3 % [4].
Для переплава стружки в литейных цехах машиностроительных предприятий применяют индукционные тигельные печи типа ИАТ емкостью 0,4 - 2,5 т. В этих печах по технологии с использованием переходящей металлической ванны в настоящее время переплавляют основное количество образующейся там стружки. Основным недостатком плавки "на болоте" является замешивание неметаллических включений в образующийся расплав, что приводит к необходимости повторного, а иногда многократного, его рафинирования. Указанный недостаток послужил основанием для поиска новых технологических схем и плавильных установок.
В последние годы появилась информация о технологических процессах переплава стружки в солевых электрических печах сопротивления, которые позволяют существенно повысить качество металла [5 - 8].
Однако, обладая существенными преимуществами, эти способы также не лишены некоторых недостатков, одним из которых является невысокое качества получаемого металла, обусловленное его загрязнением оксидными пленами и неметаллическими включениями. Это объясняется тем, что плавление стружки происходит не в объеме флюса, что желательно для достижения высокой степени очистки, а в объеме металлического расплава.
Из приведенного обзора видно, что все технологические процессы переплава стружки включают в себя необходимую операцию рафинирования полученного металла от неметаллических включений и газов.
Таким образом, многообразие существующих технологий переработки стружки определяется, в основном, масштабами переплавного производства и, соответственно, объемом переплавляемой стружки; наличием действующего плавильного оборудования и вспомогательных материалов, а также уровнем требований, предъявляемым к получаемым сплавам. В литейных цехах машиностроительных предприятий таких условий нет, поэтому вторичные алюминиевые сплавы, полученные с использованием стандартных плавильных агрегатов, в том числе и в индукционных печах с переходящей ванной, отличаются невысоким качеством и повышенным содержанием неметаллических примесей. Это приводит к необходимости поиска новых путей и решений по разработке оригинальных специализированных установок и технологических процессов.
На основании исследований взаимодействия металлических и флюсовых расплавов, ниже представлены особенности технологии термофлюсового переплава и рафинирования стружки алюминиевых сплавов (ТФП), позволяющей за один передел получать металлический расплав, соответствующий требованиям действующих стандартов по содержанию неметаллических включений и вредных примесей.
Механизм термофлюсового переплава стружки алюминиевых сплавов включает следующие стадии:
прогрев и смачивание поверхности алюминиевой стружки расплавленным флюсом;
плавление и отделение мелких капель расплавленного алюминиевого сплава от оксидной оболочки и железосодержащих приделок в объёме флюса;
осаждение образовавшихся мелких капель расплавленного металла в объёме флюса, сопровождающееся их активным взаимодействием с компонентами солевой системы и глубоким рафинированием от неметаллических включений;
коалесценция алюминиевых капель с накоплением расплава в основании тигля под слоем флюса и последующим отстаиванием для завершения процессов рафинирования.
На основании термодинамического анализа процесса переплава получены уравнения для вычисления значений свободных энергий и определения термодинамической вероятности протекания процесса на каждой из стадий.
С учётом требований к флюсовым композициям для термофлюсового переплава стружки, установлено, что наиболее пригодными для успешного осуществления технологии ТФП являются флюсовые композиции на основе эквимольной смеси солей NaCl - KCl с активными добавками Na3AlF6, CaF2 и Na2SiF6.
Исследования технологии термофлюсового переплава и рафинирования стружки алюминиевых сплавов проводили с использованием печи сопротивления САТ-0,25 с графитошамотным тиглем. При переплаве использовали следующие материалы: флюс универсальный, МХЗ - 60 кг; натриевый криолит - 3,5 кг; стружку сплава АК5М7 (ориентировочно 40 кг). Флюс перед плавкой не сушили, стружку использовали необожженную, сырую, с присутствием эмульсии (влажность - 7%, содержание посторонних пылевидных примесей - 8,5%, содержание ферромагнитной фракции - 2,7%).
Технологию осуществляли следующим образом. Разогревали печь и наплавляли флюс из условия заполнения 1/3 объема тигля. После полного расплавления и перегрева флюса до температуры 750 - 780 °С вводили заранее прогретое приемное устройство (чашу). Порционную загрузку стружки производили по мере ее усвоения. По окончании процесса переплава флюс и металл разливали в изложницы, при этом в процессе разливки отливали пробы для проведения химического анализа.
Исследования химического состава полученного сплава проводили на образцах, отобранных из чушек и специально залитых пробах. Для сравнения отдельно определяли химический состав исходной стружки.
Результаты проведенных исследований представлены в табл.1.
Таблица 1 - Химический состав сплава, полученного при переплаве стружки АК5М7
ШихтаСодержание элементов, %AlCuSiFeMgMnZnNiCтружкаоснова6,1- 6,34,7- 4,90,7- 0,80,010,180,140,06Пробы-"-6,0 - 6,34,77 - 5,010,80 - 0,920,010,17 - 0,180,14 - 0,170,06Чушки-"-5,91 - 6,44,55 - 5,200,75 - 0,980,010,16 - 0,180,14 - 0,150,06По ГОСТ-"-6,0 - 8,04,5 - 6,5до 1,10,2 - 0,5до 0,5до 0,6-
В результате опытно - промышленных испытаний технологии термофлюсового переплава стружки показана принципиальная возможность получения сплава высокого качества при совмещении в одном переделе процессов переплава и рафинирования. Выход годного металла при осуществлении технологии ТФП находится на уровне 94 - 96%. Производительность процесса переплава составляет, ориентировочно, 20 - 30 кг/ч, что позволяет считать процесс экономически выгодным, но, вместе с тем, недостаточно эффективным. Вместе с тем, повышение производительности термофлюсового переплава может быть достигнуто посредством реализации одного из двух направлений: экстенсивного (увеличение мощности печи) или интенсивного (применение флюса в качестве источника тепла).
ВЫВОДЫ
. На основе анализа результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний, а также анализа известных конструкций действующих плавильных агрегатов разработаны требования, предъявляемые к промышленным плавильным установкам для осуществления термофлюсового переплава алюминиевой стружки.
. Проведены опытно-промышленные испытания технологии термофлюсового переплава стружки АК5М7 в печи САТ - 0,25. Производительность процесса в среднем составила 20 - 30 кг/час, выход годного металла 94-96 %. Отливки из полученного металла соответствуют требованиям ГОСТ 1583-93 по химическому составу и механическим свойствам.
. Разработана технология осуществления процесса термофлюсового переплава стружки в индукционных тигельных печах. Проведена апробация технологии в печи ЛПЗ - 67 с графитовым тиглем.
. Анализ экспериментальных данных полученных при переплаве стружки в солевой печи сопротивления и индукционной тигельной печи показал, что основные показатели эффективности технологии и качества металла находятся на высоком уровне. В частности, в обоих случаях выход годного металла составил 93 - 94 %; слитки имеют 1-2 балл пористости по шкале ВИАМ; химический состав полученного сплава соответствует химическому составу стружки; расход флюса на 1 т стружки, ориентировочно, составляет 20 - 40%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ларионов Г.В. Вторичный алюминий. - М.: Металлургия, - 1967, - 271 с.
. Технология вторичных цветных металлов. Учебник для вузов/ Худяков И.Ф., Дорошеквич А.П., Кляйн С.Э. и др. - М.: Металлургия, 1981. - 280 с.
4. Gullman L., Sjoberg G. Schmelzen von Aluminiumschrott in Rinneninduktionsofen // "Stranggiesen: Schmelzen - Giessen - Uberwachen". Oberursel/Ts., 1986, 27 - 46
. Смольников Е.А. Термическая и химико-термическая обработка инструмента в соляных ваннах. М.: Машиностроение. 1989.
. Кауфман В.Г., Михайлов Л.А., Пылаев В.М. Электрические печи с жидким теплоносителем М.: Энергия. 1973
. А.С. СССР № 846959, М.Кл.3 F 27 B 17/00, заявлено 25.06.79, опубл. 15.07.81. БИ № 26. Электрическая солевая печь для плавки цветных металлов.
. Патент № 2089630, МКИ С 22 В 7/00, 9/10, заявлено 30.04.93, опубл. 10.09.97. Способ переработки лома алюминиевых сплавов.