Металлургическая переработка отходов производства и потребления

ГЛАВА 2. ПРОИЗВОДСТВО ВТОРИЧНЫХ ЛОМОВ

ИОТХОДОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

2.1.Лом и отходы алюминия и его сплавов. Классификация и характеристика

Лом и отходы алюминия включают бывшие изделия из листа и проката, литья, поковок и отходы, образующиеся при производстве этих изделий.

Лист и прокат используют в производстве самолетов, судов, мебели, бытовых предметов, при этом образуются отходы в виде листовой обрези. Самолетным ломом являются не пригодные к эксплуатации самолеты и их отдельные части: кабина, крылья, хвостовое оперение и куски корпуса, израсходовавшие свой ресурс. Корпус – дюралевая или стальная конструкция, обшитая листами алюминия. Внутри корпуса смонтированы топливные баки, трубопроводы, электропроводка, большое количество мелких деталей. Аналогичен судовой лом, состоящий из алюминиево-магниевого сплава, обладающего повышенной коррозионной стойкостью.

Другим весьма ценным сырьем вторичного алюминия является листовая обрезь, составленная из известных алюминиевых сплавов: дюралюминий, алюминий и его марганцевый сплав, алюминий и его магниевый сплав. Любая обрезь часто покрыта лаком или анодирована.

Алюминиевая проволока используется для изготовления кабелей и проволоки из чистого алюминия или алюминиево-магниево-крем- ниевого сплава (альдрея). В отходы поступают остатки после разделки кабелей и проводов, часто покрытых изоляцией.

Кэтому виду сырья также относят лом литья и поковок, богатый разными приделками (стальные болты, шпильки, подшипники, бронзовые втулки). Засоренность такого лома зависит от тщательности разделки и колеблется от 3 до 50 %. Другим источником вторичного алюминиевого сырья являются отлитые корпуса и детали двигателей внутреннего сгорания из качественных сплавов. Около 40 % вторичного алюминиевого сырья представлено стружкой. На рис. 2.1 приведена схема переработки алюминиевой стружки.

Ксъемам относят настыли с разливочных ковшей, пену, образующуюся при переливах алюминия. При удалении съемов с поверхности расплава всегда захватывается некоторое количество металла.

30

Алюминий обладает многими ценными свойствами: небольшой плотностью – около 2,7 г/см3, высокой теплопроводностью – около 300 Вт/(мК), высокой электропроводностью – 13,8 107 Ом/м, хорошей пластичностью и достаточной механической прочностью.

Алюминий образует сплавы со многими элементами и в сплавах сохраняет свои свойства. В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы, в твердом виде он хорошо деформируется и легко поддается резанию, пайке и сварке.

Сродство алюминия к кислороду очень большое. При его окислении выделяется большое количество тепла (~1 670 000 Дж/моль). Тонкоизмельченный алюминий при нагревании воспламеняется и сгорает на воздухе. Алюминий соединяется с кислородом воздуха и в атмосферных условиях. При этом он покрывается тонкой (толщиной ~0,0002 мм) плотной пленкой окиси алюминия, защищающей его от дальнейшего окисления; поэтому алюминий стоек против коррозии. Поверхность алюминия хорошо защищается от окисления этой пленкой и в расплавленном состоянии.

Из сплавов алюминия наибольшее значение имеют дюралюминий

исилумины.

Всостав дюралюминия, кроме алюминия, входят 3,4–4 % Сu, 0,5 % Мn и 0,5 % Mg, допускается не более 0,8 % Fe и 0,8 % Si.

Дюралюминий хорошо деформируется и по своим механическим

свойствам близок к некоторым сортам стали, хотя он в 2,7 раза легче стали (плотность дюралюминия – 2,85 г/см3).

Механические свойства этого сплава повышаются после термической обработки и деформации в холодном состоянии. Сопротивление на разрыв повышается со 147–216 МПа до 353–412 МПа, а твердость по Бринеллю – с 490–588 до 880–980 МПа. При этом относительное удлинение сплава почти не изменяется и остается достаточно высоким (18–24 %).

Силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными качествами и механическими свойствами.

Алюминий и его сплавы широко применяют во многих отраслях промышленности, в том числе авиации, транспорте, металлургии, пищевой промышленности и др. Из алюминия и его сплавов изготовляют корпуса самолетов, моторы, блоки цилиндров, коробки передач, насосы и другие детали в авиационной, автомобильной и тракторной промышленности, сосуды для хранения химических

32

продуктов. Алюминий широко применяют в быту, пищевой промышленности, ядерной энергетике и электронике [5].

Многие части искусственных спутников нашей планеты и космических кораблей изготовлены из алюминия и его сплавов. Вследствие большого химического сродства алюминия к кислороду его применяют в металлургии как раскислитель, а также для получения при использовании так называемого алюминотермического процесса трудно восстанавливаемых металлов (кальция, лития и др.)

По общему производству металла в мире алюминий занимает второе место.

2.2. Инновационные технологии в переработке окисленных отходов алюминия

К окисленным отходам алюминия относятся стружка, шлаки, съемы. По данным ОАО «Белцветмет», в общем объеме накопления вторичного алюминиевого сырья доля стружки составляет более 26 %, а шлака – более 13 %. Переработка алюминиевых шлаков является выжным резервом для расширения объемов производства алюминиевых сплавов. Исследования, выполненные ранее применительно к технологиям рециклинга стружки и шлаков [6–8], сводились преимущественно к разработке мероприятий по повышению металлургического выхода без учета экологических вопросов. Реализация предложенных рекомендаций способствовала увеличению процента извлекаемого металла, но одновременно приводила к образованию значительного количества солевых шлаков, переработка которых требовала специальных технологий, а хранение их в отвалах экологически небезопасно, т. к. они относятся к четвертому классу опасности [9; 10].

Постоянно растущие цены на энергоносители вместе с ужесточающимися положениями о защите окружающей среды являются движущей силой для разработки современных безотходных технологий рециклинга отходов алюминия. Важный путь повышения экономической эффективности работы предприятий – это снижение издержек, связанных с образованием и утилизацией экологически опасных отходов.

В настоящее время во многих странах приоритетными в государственной промышленной политике становятся малоотходные и без-

33

отходные технологии, чистые технологические процессы и промышленные производства, обеспечивающие комплексное использование всех видов сырья [11].

Анализ образующихся шлаков (табл. 2.1) показал, что содержание в них алюминия может колебаться от 6 до 85 % и определяется технологией плавки алюминиевых сплавов и типом используемого плавильного агрегата [9].

Таблица 2.1

Характеристика алюминийсодержащих шлаков и съемов, образующихся на предприятиях Республики Беларусь [9]

Крупные производители алюминиевого литья переплавляют стружку самостоятельно и добавляют переплав в шихту при получении расплава, что обеспечивает им значительные экономические выгоды [10; 12].

Более мелкие производители алюминиевого литья и предприятия, специализирующиеся на механической обработке таких изделий, сдают стружку на ОАО «Белцветмет». В зависимости от степени засоренности стружка используется при выплавке марочных алюминиевых сплавов или раскислителей, а также реализуется другим организациям, которые специализируются на переработке алюминиевой стружки и шлаков.

34

Для выбора оптимального варианта переплава окисленных отходов алюминиевых сплавов в короткопламенной роторной печи (КПРП) проводились исследования зависимости металлургического выхода от степени окисленности шихты при добавке флюса, содержащего 50 % NaCl; 42 % КСl; 8 % Na3AlF6 в количестве 8 % от массы металлозавалки. Степень окисленности шихты варьировали добавками алюминиевого лома, крупной и мелкой стружки, шлаков и сливов. Схема короткопламенной роторной печи представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема короткопламенной роторной печи:

1 – соединение усеченных конусов; 2 – корпус печи; 3 – горелочный щит; 4 – боров; 5 – привод печи; 6 – гидравлический цилиндр наклона печи

При ведении плавки контролировались состав, засоренность и масса загружаемых отходов алюминия, время и температура плавки, масса полученного расплава, расход топлива и электроэнергии на плавку, металлургический выход (MB), который определялся по формуле:

35

где Мспл – масса полученного сплава, кг; Мпрос – масса просева шлака в шихте, кг;

а – количество алюминия, извлекаемого из просева шлака, %;

Мшл – масса шлака в шихте, кг;

b – количество алюминия, извлекаемого из шлака, %; Мстр – масса стружки алюминиевых сплавов в шихте, кг; c – засоренность стружки, %.

На первом этапе исследований шихту загружали в печь вместе с флюсом, добавка которого составляла 50 % от расчетного количества. В процессе нагрева и расплавления шихты скорость вращения печи составляла 0,3–1,0 об/мин. После расплавления металла и флюса присаживали оставшуюся часть флюса, а скорость вращения печи увеличивали до 5,1 об/мин для лучшего разделения расплава и шлака. Общая длительность плавки составляла 82–85 минут. Полученный металлический расплав с температурой 760–780 °С сливали в ковш и, после продувки азотом, разливали в чушки на разливочном конвейере. Шлак из наклоненной печи удаляли в контейнер скребками. Результаты исследований представлены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Влияние степени окисленности отходов алюминиевых сплавов на металлургический выход при плавке с 8 % флюса

Результаты опытных плавок показали, что с увеличением окисленности шихты с 2,0 до 50 % металлургический выход в среднем

36

снижается с 93 до 50 %. При этом количество образующегося шлака возрастает с 107 кг до 390 кг. Анализ химического состава образующегося шлака показал, что содержание в нем корольков алюминия находится в пределах 7,5–9,2 %, что делает его дальнейший переплав нерентабельным. Учитывая, что такой шлак относится к отходам четвертого класса опасности, он подлежит захоронению на специальных полигонах с уплатой соответствующего экологического налога [13].

Дальнейшие исследования с использованием покровного и жидкого флюсов привели к получению результатов, близких к первой серии опытных плавок.

Поэтому было принято решение об исключении флюса из состава шихты при плавке окисленных отходов алюминия. Предполагалось, что разрушение оксидной пленки на частицах алюминиевых сплавов в процессе плавки будет происходить механическим путем при вращении печи и за счет остатков флюса, содержащегося в шлаках, которого достаточно для разрушения оксидной пленки на корольках алюминия и формирования бассейна из капель жидкого алюминия.

При таком варианте плавки в составе пыли из циклона преобладают оксиды алюминия различных форм с общей концентрацией около 75 %, шпинели, содержащие в своем составе оксиды алюминия (~12 %) и 12 % чистого алюминия. На долю хлорсодержащих соединений приходилось только 1,4 %, что в 2,5 и 30 раз ниже по содержанию хлоридов и фторидов по сравнению с плавкой с 8 % покровного флюса и 40 % жидкого флюса соответственно.

Анализ химического состава образовавшегося шлака показал, что остаточное содержание корольков алюминия в нем составляет 9–11 %, а основным компонентом является Al2O3, доля которого колеблется в пределах 69–74 %. В меньшей степени представлены оксиды магния, кремния, железа и щелочных металлов, при общей массе образующихся отходов около 40 % от шихты. Такой состав отходов позволяет использовать их при производстве раскислительных смесей для внепечной обработки стали. Алюминиевые раскислительные смеси (АРС) наряду с 20–24 % алюминия содержат

50–65 % Al2O3, а также CaO и MgO.

Таким образом, вторичный шлак и пыль, образующиеся при бесфлюсовой плавке отходов алюминия в КПРП, являются подходящими компонентами для получения раскислительной смеси. При этом масса используемых продуктов плавки (расплав + шлак + пыль)

37

составляет более 95 % от массы загружаемой шихты, что позволяет отнести данную технологию переработки отходов алюминия к безотходной, обеспечивающей экономический и экологический эффект. В этом случае полностью реализуется концепция академика И. П. Бардина, когда отходы одного производства являются сырьем для другого производства [14].

Результаты проведенных плавок алюминиевой стружки и шлаков в КПРП, данные по составу вторичного алюминиевого шлака от переработки отходов алюминия и составу пыли при бесфлюсовой плавке явились основанием для разработки технических условий ТУ BY 700028768.003-2008 «Смеси алюминиевые раскислительные», безотходной технологии переработки окисленных отходов алюминия и внедрения ее на ООО «НПФ "Металлон"» [13]. Схема технологии представлена на рис. 2.4.

Упаковка АРС

Металлургическое

производство

Рис. 2.4. Схема безотходной технологии переработки алюминиевой стружки и шлаков

38

Такая технология переработки окисленных отходов алюминия позволяет использовать также отсев алюминиевого шлака с фракцией менее 10 мм, образующийся при подготовке алюминиевого шлака к плавке в КПРП.

2.3. Лом и отходы свинца и меди. Классификация и характеристика

Вторичное сырье свинца представляется ломом и отходами прокатного свинца, кальциевым баббитом, ломом кабельного свинца, свинцовыми аккумуляторами, деталями из сурьмянистого свинца [3].

Прокатный свинец используется в виде рольного свинца для футеровки кислотоупорных ванн, реакторов, для изготовления свинцовых труб, змеевиков. Лом прокатного свинца представляет собой лом различной химической аппаратуры. Этот свинец загрязнен с поверхности окислами, остатками кислоты, накипью. Средняя засоренность листов рольного свинца составляет 2 %, а свинцовых труб – 3–5 %.

Лом кальциевого баббита – вышедшие из строя вкладыши подшипников.

Отходы баббита поступают в переработку в виде стружки. Содержание свинца в ломе и отходах составляет 95–97 % при засоренно-

сти 2–10 % .

Лом свинцовых аккумуляторов занимает наибольший удельный вес на рынке вторичного свинца. Это обусловлено производством большого количества различных типов свинцовых аккумуляторов, имеющих ограниченный срок службы (2–3 года). Содержание свинца и сурьмы в новых батареях составляет в среднем 62 %. После эксплуатации в результате окисления свинца засоренность лома возрастает до 45 %.

Кроме свинца и сурьмы лом свинцовых аккумуляторов содержит пластмассы (из которых изготавливают корпуса, крышки, сепараторы для батарей), а также серу и кислород.

Кабельный лом – продукт разделки вышедших из строя кабелей, имеющий свинцовую защитную оболочку. Для изготовления оболочек используют свинец, содержащий 0,4–0,6 % сурьмы или 0,05– 0,08 % меди. В зависимости от вида кабеля содержание свинца в разделанном кабельном ломе составляет 30–50 %.

39