Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Рециклинг металлов и сплавов. Лабораторный практикум
.pdf
сплавов. Вьюнообразная – изделий из алюминиевых деформируемых
а
б
в
сплавов. На рис. 6 представлен внешний вид алюминиевой стружки
в зависимости от марки сплава.
Рис. 6. Внешний вид стружки:
а, б – вьюнообразные стружки из деформируемых сплавов Д16 и АМг5 соответственно;
в – сыпучая (дискретная) стружка из литейного сплава АК9ч
В связи с малой поверхностью элементов стружки в исходном
состоянии определить марку сплава, из которого она была образована, не представляется возможным. Поэтому разделение стружки
производится на первом этапе по внешним признакам: сыпучая
(дискретная) – литейные сплавы; вьюнообразная – деформируемые.
Далее стружки от литейных и деформируемых сплавов подготавливаются к переработке раздельно. Содержание влаги и СОЖ в
стружке, поступающей на переработку, может составлять до 50 %.
В связи с этим на первом этапе производится удаление влаги и
остатков СОЖ за счет обжига стружки в печах барабанного типа с
целью снижения влаги и СОЖ до 0,2 % по массе и ниже. Далее
осушенную алюминиевую стружку направляют на магнитную сепарацию для отделения стружки и приделков из железосодержащих
31
сплавов. С целью уменьшения объема и угара при последующем переплаве стружку пакетируют на прессах.
При использовании традиционных технологий переплава стружки потери металла на угар и окисление доходят до 30 %. Это приводит к тому, что большое количество рециклируемого металла теряется безвозвратно (безвозвратные потери). При больших объемах переработки стружки эти потери исчисляются в сотнях тысяч рублей.
В связи с этим разработка эффективных оборудования и технологий
для рециклирования стружки являются весьма актуальной. В настоящее время для рециклирования стружки используют следующие способы переплава: переплав брикетированной стружки в газопламенных отражательных печах; дождевой переплав стружки в индукционной тигельной печи промышленной частоты; переплав стружки в печах сопротивления; переплав стружки в роторных печах; переплав
стружки в электродуговых печах постоянного тока и др.
Один из наиболее эффективных способов снижения угара металла – плавка на «болоте». Для переплава стружки с использованием
болота, например, используется трёхзонная дуговая печь постоянного
тока. Печь разделена на три зоны. Первая – зона пониженных температур находится около загрузочного окна. В первой зоне производится загрузка и замешивание стружки в жидкий металл (болото). В
результате образуется твёрдо-жидкая масса, в которой происходит
постоянное плавление стружки с минимальным угаром металла [6].
Дуга горит во второй зоне, где через слой шлакофлюсовой смеси
происходит нагрев металла до рабочей температуры. За счёт интенсивного конвективного массопереноса, характерного для дуговых печей постоянного тока, происходит выравнивание температуры и химического состава по всей ванне печи.
Третья зона предназначена для слива металла и шлака. В этой зоне поддерживается температура, достаточная для сохранения шлака в
жидкоподвижном состоянии.
Такая технология переплава стружки обеспечивает угар металла не
более 7–10 %. Экономия электроэнергии, по сравнению с ведением
плавки в тигельных печах сопротивления, составляет около 25 %.
32
Главным преимуществом данного процесса является высокое качество
получаемого металла. Резко снижается газонасыщенность металла,
повышается плотность слитка, снижается количество плён в слитке.
Однако плавку на «болоте» можно проводить в печах различной
конструкции. Во всех случаях переплав стружки и других дисперсных отходов (обрезь, банки из-под напитков и т.д.) металлов и сплавов проводят в объеме жидкой ванны. Расплав («болото»), смачивая
стружку, защищает ее от окисления и хорошо проводит тепло, обеспечивая быстрый прогрев и последующее плавление стружки.
Цель работы – исследование процессов рециклирования струж-
ки для получения алюминиевых сплавов.
Работа рассчитана на 8 часов.
Материалы и основное оборудование: отходы механической обработки (стружка), алюминий электротехнический, покровно-рафинирующие флюсы, дегазирующий препарат, тигельная печь сопротивления, сушильный шкаф, лабораторные весы, устройство для замешивания стружки в расплав «Импеллер», литейный инструмент,
изложницы.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться и пользоваться соответствующими разделами специальной
литературы и материалами лекций.
Перед проведением экспериментов стружку необходимо промыть
теплой водой (можно в слабом мыльном растворе) и высушить в сушильном шкафу при температуре 200–250 °С в течение 30–50 мин.
1. Исследование процесса переплава свободно насыпанной
стружки. Плавление стружки производить в лабораторной электрической тигельной печи сопротивления.
1.1. Тигель предварительно очистить от шлака предыдущих
плавок, окрасить защитной краской и просушить при температуре
100–150 С. Нагреть тигель до температуры 300–350 С.
33
1.2. Предварительно подготовленную стружку взвесить и за-
грузить её в разогретый тигель печи.
1.3. После полного расплавления перегреть расплав до 720–
750 С и выполнить его рафинирование флюсом в количестве 0,5–
1,5 % от массы загрузки. Флюс нанести ровным слоем на зеркало
расплава, выдержать 10–15 мин для расплавления или образования
корочки флюса, замешать в расплав и дать выдержку в течение 15–
20 мин. Удалить шлак в шлаковню, расплав слить в изложницу.
1.4. После полного затвердевания полученную чушку взять
щипцами и охладить под струей проточной воды, осушить, взвесить.
Определить металлургический выход годного по формуле (3).
2. Исследование процесса переплава брикетированной стружки.
Плавление стружки производить в лабораторной электрической тигельной печи сопротивления.
2.1. Предварительно подготовленную стружку перед плавлением спрессовать в брикеты с помощью гидравлического пресса.
2.2. Тигель подготовить к плавке по п. 1.1.
2.3. Взвесить брикетированную стружку и загрузить её в разо-
гретый тигель печи.
2.4. После полного расплавления выполнить операции по
п.п. 1.3, 1.4.
2.5. Определить металлургический выход годного по формуле (3).
3. Исследование процесса переплава стружки на «болоте». Плав-
ление стружки производить в лабораторной электрической тигельной печи.
3.1. Тигель подготовить к плавке по п. 1.1.
3.2. Объем «болота» должен составлять половину объёма тигля.
Кусковые отхода алюминиевого сплава предварительно нагреть
в сушильном шкафу до температуры 100–150 С. Загрузку отходов
в печь производить по мере их расплавления. Загружаемый металл
предварительно тщательно взвешивать.
34
3.3. При использовании тигельной печи емкостью 10–15 кг ус-
Способ переплава
стружки
Масса
стружки, кг
Масса
чушки, кг
Металлургический
выход годного, %
Угар, %
Переплав насыпью
Переплав брикетов
Переплав замешиванием
тановить на печь устройство «Импеллер» для замешивания стружки в
расплав. Лопасти импеллера-установки предварительно очистить от
шлака, окрасить и высушить в сушильном шкафу. Зарисовать схему
установки в отчет.
3.4. Перегреть расплав до температуры 750–800 °С. Опустить
импеллер в расплав и включить перемешивание (при использовании
лабораторных печей типа «Graficarbo» стружку в расплав замешивать
вручную небольшими порциями).
3.5. Взвешенную сыпучую стружку подавать мерными порциями в перемешиваемый расплав. После расплавления всей стружки
провести рафинирование флюсом (п. 1.3). Снять шлак и расплав
слить в изложницу. Выполнить операции по п. 1.4.
3.6. Определить металлургический выход годного по формуле (4).
4. Результаты исследований оформить в виде табл. 7 и столбча-
той диаграммы. На диаграмме показать металлургический выход
годного для всех исследованных способов переплава стружки.
Таблица 7
Результаты экспериментов и расчетов
5. По результатам работы сделать выводы об эффективности ис-
следованных процессов переплава стружки.
Расчётные формулы
1. Металлургический выход годного при переплаве стружки на-
сыпью:
где Мч – масса полученной чушки, кг;
М
стружки
– масса переплавленной стружки, кг.
МВГ = 100 (Мч/М
35
стружки
), (3)
2. Металлургический выход годного при переплаве стружки за-
мешиванием:
МВГ = 100 (Мч – М
шихты
) /М
стружки
, (4)
где Мч – масса полученной чушки, кг;
М
шихты
– масса исходной шихты, используемой для получения
«болота», кг;
М
стружки
– масса переплавленной стружки, кг.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Общие сведения.
2. Схема установки «Импеллер» для замешивания стружки
в расплав.
3. Описание экспериментов.
4. Результаты экспериментов.
5. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Почему при переплаве стружки наблюдается повышенный угар металла?
2. Какие способы переплава стружки вы знаете?
3. В чем преимущества и недостатки существующих технологических про-
цессов переработки стружки?
4. Какие печи используются для переработки стружки?
5. В чем преимущество способов переработки стружки без использования
флюсов?
6. В чем преимущество использования дуговых печей постоянного тока?
36
Лабораторная работа № 6
ПОЛУЧЕНИЕ ЛИГАТУР ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ИЗ ВТОРИЧНЫХ ШИХТОВЫХ МЕТАЛЛОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Наиболее эффективным направлением повышения качества явля-
ется управление структурообразованием алюминиевых сплавов на
стадии их получения из рециклируемых металлических материалов.
С одной стороны, проблема частично может быть решена за счет
подбора оптимального химического состава вторичных сплавов, который обеспечит формирование в литой структуре вторичных интерметаллидных фаз благоприятного состава и морфологии. Указанный
подход базируется на анализе и разработке многокомпонентных фазовых диаграмм с целью получения качественных сплавов с пониженным содержанием легирующих и с повышенным содержанием
примесных элементов [11]. Однако это дополнительно требует разработку нормативной документации на вновь разработанные сплавы.
С другой стороны, обеспечение качества «вторичных» сплавов может
осуществляться непосредственным воздействием на структурные
элементы сплавов в жидком и кристаллизующемся состоянии. Данный подход основан на природном свойстве большинства известных
промышленных металлов и сплавов – явлении структурной наследственности (ЯСН) [2]. В связи с вышесказанным наиболее оптимальным вариантом представляется исследование и развитие основных
закономерностей явления структурной наследственности с целью
управления структурообразованием и свойствами «вторичных» сплавов на основе алюминия.
На рис. 7 представлены некоторые варианты составов специаль-
ных (модифицирующих и легирующих) добавок, которые можно получать с использованием различных рециклируемых отходов.
Из представленной схемы видно, что практически все добавки могут
быть получены с использованием различного количества вторичных
материалов. Например, мелкокристаллические переплавы (МКП) мо-
37
гут производиться из 100 % рециклируемых материалов за счет кри-
Модифицирование
Легирование
МКП
МКЛ
Легирующие
Модифицирующие
Al-Si
Al-Cu
Al-Ni
Al-Fe
и др.
Al-Ti
Al-Sr
Cu-P
и др.
Комплексные
Al-Ti-Cu
Al-Ti-Mg
Al-Ti-Cu-Mg
и др.
Переплавы с химическими составами,
близкими к составу
базового сплава
Рис. 7. Пути управления структурообразованием
вторичных сплавов на основе алюминия:
МКП – мелкокристаллические переплавы;
МКЛ – мелкокристаллические лигатуры
сталлизационной обработки небольшого количества расплава, находящегося в плавильной печи и готового к разливке. В этом случае
модифицирующая добавка в виде МКП получается непосредственно
перед ее введением в разливаемый расплав. Данная операция не требует дополнительного плавильного оборудования. Добавка МКП не
изменяет марочного химического состава сплава. Исследования, проводимые в данном направлении, показывают, что зачастую модифицирующий эффект МКП сопоставим с традиционными модифицирующими лигатурами для алюминиевых сплавов, например, Al-Ti и
даже Al-Sr. По совокупности параметров «цена – качество» модифицирование добавками МКП может быть отнесено к экономному модифицированию алюминиевых сплавов.
Большинство из мелкокристаллических лигатур, представленных
на рис. 7, также может быть получено с использованием рециклируемых отходов. Например, для получения модифицирующей лигатуры
Al-Ti допустимо использование алюминиевых электротехнических
38
отходов и отходов титановых сплавов типа ВТ; лигатуру Al-Cu – из
отходов дуралюминов и электротехнической меди и т.д. Использование мелкокристаллических модифицирующих лигатур позволяет сократить в разы их расход при сохранении высокого эффекта модифицирования по сравнению с традиционными лигатурами. В целом использование мелкокристаллических легирующих добавок обуславливает сохранение требуемого уровня механических свойств сплава при
пониженном содержании (в регламентируемых рамках) легирующего
элемента.
Цель работы – исследование процессов получения мелкокристаллических легирующих алюминиевых лигатур из вторичных шихтовых металлов.
Работа рассчитана на 8 часов.
Материалы и оборудование: электротехнические отходы алюминия и меди, кристаллический кремний, тигельные плавильные печи сопротивления, вихретоковый структуроскоп ВЭ-26НП.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед выполнением данной работы необходимо ознакомиться
и пользоваться соответствующими разделами специальной литературы и материалами лекций.
1. Подготовить навески из отходов электротехнического алюми-
ния, меди. Куски кристаллического кремния раздробить на фракцию
размером 2–5 мм.
2. Рассчитать и взвесить необходимое количество шихтовых ма-
териалов для получения лигатур AlCu35 и AlSi20.
3. Приготовить лигатуру AlCu35.
3.1. Расплавить навеску отходов алюминия. Перегреть расплав
до 780–790 С.
3.2. Порционно ввести навеску отходов меди с их интенсивным
замешиванием в расплав.
39
3.3. После полного растворения меди расплав перемешать, вы-
полнить операцию рафинирования и дегазации. Выдержать расплав
в течение 10–15 мин, снять с зеркала расплава шлак. Произвести интенсивное перемешивание расплава для предотвращения седиментации меди на дно тигля.
3.4. Залить лигатурный расплав в изложницу.
3.5. Рассчитать металлургический выход годного по формуле
МВГ = 100 (Мч)/М
отходов
, (5)
где Мч – масса полученной чушки, кг;
М
отходов
– масса использованных отходов для получения лигатуры, кг.
4. Приготовить лигатуру AlSi20.
4.1. Расплавить навеску отходов алюминия. Перегреть расплав
до 690–710 С. Ввести в расплав ¼ часть навески кремния и быстро
замешать его. Дать выдержку 3–5 мин.
4.2. Проконтролировать температуру расплава. Она должна на-
ходиться в вышеуказанном диапазоне (при необходимости расплав
подогреть или охладить, изменяя задание на регуляторе).
4.3. Ввести остаток навески кремния при интенсивном замеши-
вании. Дать выдержку в течение 10–15 мин.
4.4. Поднять температуру расплава до 730–740 С, выполнить
операцию рафинирования и дегазации. Выдержать расплав в течение
10–15 мин, снять с зеркала расплава шлак.
4.5. Залить лигатурный расплав в изложницу.
4.6. Рассчитать металлургический выход годного по фор-
муле (5).
5. Оценить качество лигатур.
5.1. На охлажденных под проточной водой и просушенных
опытных лигатурах замерить электропроводность с помощью прибора ВЭ-25Н. Зафиксировать значения электропроводности в таблице.
5.2. Сделать изломы лигатур и выполнить их анализ на предмет
зернистости и наличия неметаллических включений.
5.3. Результаты экспериментов занести в табл. 8–10.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]