Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ресурсо- и энергосбережение в литейном производстве. Учебное пособие
.pdf
31
Сечка мелких фракций (менее 1 мм) используется в качестве раскис-
Сыпучая
стружка
Вьюнообразная
стружка
Измельчение
Удаление
СОЖ
Магнитная
сепарация
Разделение
по фракциям
Продукт, готовый
к рециклированию
лителей при производстве некоторых сплавов на основе железа. Следует отметить, что электротехнические отходы алюминия являются
наиболее чистыми по химическому составу, так как при производстве
изделий использовался нелегированный алюминий различных марок
(как правило, А7-А0).
Стружка является очень специфическим видом отходов и перед переплавом требуется её более тщательная и многостадийная подготовка
(рис. 3.1) [16]. Стружка, которая образуется в процессе обработки резанием литых деталей, содержит смазочно-охлаждающую жидкость
(СОЖ); в ней также могут присутствовать железосодержащие частички, образующиеся в процессе износа режущего инструмента. Кроме того, при накоплении в стружку из алюминиевых сплавов могут попадать
железосодержащая стружка, ветошь, бумага, древесина и т. д.
3.1. Технологическая схема подготовки стружки к рециклированию
Сыпучий (дискретный) вид стружки образуется в процессе
механической обработки изделий из алюминиевых литейных сплавов.
Вьюнообразный (протяжённый) вид образуется при механической
обработке изделий из алюминиевых деформируемых сплавов. Так как
в исходном состоянии определить химический состав стружки
не представляется возможным, стружки литейных и деформируемых
сплавов перерабытываются раздельно. Содержание влаги и СОЖ
32
в стружках, поступающих на переработку, может составлять до 50 %.
На первом этапе удаление влаги и остатков СОЖ производится её
обжигом в печах барабанного типа. Это позволяет снизить содержание влаги в стружке менее 0,2 % по массе. Для отделения магнитной составляющей (стружка и приделки из сплавов на основе железа)
от немагнитной (алюминиевая стружка) применяют магнитную сепарацию. На завершающем этапе очищенная стружка пакетируется на
прессах.
Металлошлаки, содержащие алюминий, относятся к наиболее
низкосортными отходами. В мировой промышленности ежегодно образуется около 4 млн т так называемых первичных и вторичных алюминиевых шлаков. Значительная часть шлаков с низким содержанием
металлической составляющей (менее 5 %) подвергается захоронению
на специализированных полигонах.
алюминиевые шлаки образуются на металлургических заводах, производящих первичный (чистый) алюминий.
алюминиевые шлаки – это металлосодержащий отход, образующийся в производстве алюминиевых сплавов и изделий
на их основе. Вторичные шлаки образуются также в процессе переработки алюминиевых ломов и отходов. Образующиеся в разных производствах и на разных предприятиях шлаки различаются по содержанию в них алюминия, оксидов металлов и остатков флюсов. Шлаки, поступающие на переработку, могут содержать, от 5 до 80 %
алюминия.
На рис. 3.2 представлена схема образования различных видов
шлаков, содержащих алюминий. В зависимости от происхождения
различаются составы алюминиевых шлаков (табл. 3.1). С целью увеличения степени извлечения металлической составляющей шлаки перед загрузкой в плавильную печь подвергаются обогащению. На первом этапе для этого используют дробильно-обогатительные установки, на которых производятся сепарация, очистка, разрушение и разделение металлической, оксидной и солевой составляющих шлака.
33
Сепарация металлической фракции шлака производится за счёт
измельчения и отделения хрупких частиц оксидов и флюсов от пластичных металлических частиц. При этом процессе доля извлечения
металлической части из алюминиевого шлака может достигать 90 %.
Далее измельчённый алюминиевый шлак просеивается для разделения на фракции, которые могут быть переработаны для извлечения
металлической части или использованы для других целей. Шлак подается в обогатительную установку через специальную решетку с отверстиями 200 мм. Куски более крупных размеров удаляются с решетки и подвергаются измельчению. Куски, прошедшие сквозь отверстия решетки, собираются в небольшом загрузочном бункере и
подаются в дробилку первого этапа (обычно это молотковая мельница) при помощи вибрационного лоткового конвейера.
3.2. Схема образования и переработки алюминиевых шлаков
34
Шлак
Al
(металл)
SiO2
Al2O3
NaCl+
KCl
Прочие
соединения
Обогащённый шлак
20–80
5–20
10–50
10–20
10–20
Солевой шлак
5–10
2–15
30–70
40–80
5–15
Химический состав алюминиевых шлаков, %
Через вибрационный лотковый конвейер измельчённый шлак выгружается в ковшовый элеватор или на наклонный ленточный конвейер. Затем с помощью этих устройств попадает его на вибрационное сито, которое оборудовано двумя деками с отверстиями разного
размера. Шлак, полученный в результате такого механического обогащения, сортируется по размеру фракций:
– фракция № 1 – куски шлака размером более 50 мм;
– фракция № 2 – менее 50 мм.
Фракция № 1 отделяется от общего потока и через ленточный
конвейер, оборудованный магнитным барабаном для отделения железа, отправляется в хранилище.
Фракция № 2 подается в шаровую мельницу для дополнительного измельчения.
В дробилке происходят освобождение частиц алюминия от оксидов и измельчение крупных кусков шлака, что помогает дополнительно извлекать алюминий, содержащийся в них. Пыль, образующуюся в этом процессе, удаляют воздушным потоком. Так происходит обогащение шлака фракции № 2.
Удалённая воздушным потоком пыль и собранная на матерчатом
фильтре в пылеуловителе не используется в процессах рециклинга
алюминия. Однако пыль содержит дисперсные частицы алюминия и
может быть использована в литейных цехах в качестве добавки в экзотермические смеси, которые применяются для подогрева прибылей.
Все промежуточные конвейеры, устанавливаемые между ситом и
дробилкой, оборудованы магнитными барабанами для удаления железных частиц. Иногда при обработке бедного шлака перед шаровой
мельницей, устанавливают дополнительно второе сито. Продукт про-
35
сева называется отходами шлака и тоже может находить применение
в литейном производстве.
Плавление фракций № 1 и № 2 производят во вращающихся печах барабанного типа. Так как указанные фракции обычно содержат
70–80 % алюминия, то они являются ценным сырьём для производства алюминиевых сплавов. Технология извлечения металла во вращающейся печи барабанного типа является наиболее эффективной,
так как позволяет проводить переработку шлака с высокой удельной
площадью поверхности контакта при наличии большого количества
металлических и неметаллических примесей.
3.2. ПЛАВКА ПОДГОТОВЛЕННЫХ ОТХОДОВ
НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
В целях экономии энергоресурсов приготовление сплавов из ре-
циклируемых металлических отходов, как правило, ведут в газовых
печах. Газовые печи по конструкционным особенностям подразделяются на отражательные, шахтно-ванные и барабанного типа. Кусковые и брикетированные отходы подвергают переплаву в отражательных печах ванного типа. Печи с электронагревом (индукционные, сопротивления, дуговые) применяют реже в связи с более высокой
стоимостью энергоносителя. Однако именно такие печи обеспечивают меньшие потери на угар и позволяют получать более качественные сплавы из металлических отходов.
Для переработки стружки, в настоящее время, применяют сле-
дующие способы:
– переплав в индукционных печах;
– «дождевой» переплав стружки в индукционных тигельных пе-
чах промышленной частоты;
– переплав стружки в брикетах в газопламенных отражательных
печах;
– переплавы стружки в печах сопротивления, роторных печах,
электродуговых печах постоянного тока и др.
36
Наиболее эффективным способом снижения угара металла является так называемая плавка на «болоте». Для этой цели, например,
применяют трёхзонную дуговую печь постоянного тока. Печь разделена на три зоны.
1. Зона пониженных температур, которая находится около загру-
зочного окна. В первой зоне производится загрузка и замешивание
стружки в жидкий металл (болото). В результате образуется твёрдожидкая масса, в которой происходит постоянное плавление стружки с
минимальным угаром металла.
2. Зона горения дуги, в которой через слой шлако-флюсовой сме-
си 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.
3. Зона слива металла и шлака, в которой поддерживается температура, необходимая для обеспечения жидкоподвижного состояния
шлака.
Трёхзонная дуговая печь обеспечивает переплав стружки при
угаре металла до 7–10 %. При этом экономия электроэнергии составляет около 25 %, по сравнению с печами сопротивления. Основное
преимущество данного процесса заключается в обеспечении высокого качества получаемых переплавов: снижается газонасыщенность
сплавов, снижается количество окисных плёнок в структуре чушек
или слитков, в результате этого повышается их плотность.
Металлошлаки и сыпучую (не брикетированную) стружку эффективно переплавлять в роторных печах барабанного типа (рис. 3.3).
Роторная печь барабанного типа (РПБТ) представляет собой вращающийся барабан, в котором горелка расположена с одной стороны,
а топочные газы выходят из барабана через окно на другом конце барабана. Для загрузки топочный механизм отводится в сторону,
и шихту загружают в печь через специальное окно. Для предотвращения потерь, поверхность загруженной шихты покрывают специ-
37
альными флюсами. Плавка в РПБТ под флюсом является наиболее
3.3. Роторная печь:
– в рабочем положении; – в положении «слив расплава»
эффективным способом для извлечения алюминия из алюмосодержащих шлаков. В состав флюса, применяемого в этом процессе, входят хлориды натрия (NaCl) и калия (KCl). Для повышения его эффективности обычно осуществляют небольшую добавку соединений с
фтором. В зависимости от типа печей количество добавляемого флюса и содержание в нём металлического алюминия может меняться.
Указанный способ характеризуется одним существенным недостатком: образуется солевой шлак, который содержит от 20 до 80 % водорастворимых хлоридов и фторидов.
Для извлечения металла при плавке в РПБТ все загруженные шихтовые составляющие, включая соль, должны быть доведены до плавления. В процессе работы современная вращающаяся барабанная печь
потребляет около 600 кВт·ч на 1 т завалки шихты. При содержании в
шлаке 80 % алюминия расход энергии увеличивается приблизительно
до 740 кВт·ч на 1 т извлекаемого алюминия. Если содержание алюминия в шлаке только 40 %, энергопотребление на 1 т извлекаемого металлического алюминия увеличивается уже до 1500 кВт·ч. Исходя
из этого, обогащение алюмосодержащего шлака перед операцией плавления является экономически выгодным. Особенно это касается шлака
с невысоким содержанием металлической части.
38
В процессе ведения плавки производят первичный контроль химического состава. Как правило, на этом этапе химический состав не
соответствует требованиям нормативной документации для марочного сплава по содержанию легирующих и примесных элементов. Если
содержание какого-либо элемента превышает их содержание по требованиям нормативной документации, то производят операцию расшихтовки, т. е. добавляют некоторое избыточное количество низколегированных или нелегированных отходов алюминия. При содержании легирующих компонентов ниже регламентируемого производят
подшихтовку, т. е. добавляют необходимое количество недостающего
элемента или в чистом виде, или в виде лигатуры с высоким содержанием требуемого компонента (легирующая лигатура). В любом
случае количество элементов для расшихтовки или подшихтовки определяют расчётным путём, ориентируясь на требуемый химический
состав. Иногда количество операций может достигать 3–4. Это связано с тем, что в состав шихты может входить достаточно большой
спектр перерабатываемых отходов.
3.3. ОЧИСТКА РАСПЛАВОВ ОТ РАСТВОРИМЫХ
И НЕРАСТВОРИМЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ
Основной технологической операцией подготовки расплавов
к литью, наряду с модифицированием, является рафинирование (очистка) алюминиевых расплавов от неметаллических (растворимых и нерастворимых) примесей. Источниками загрязнения расплавов примесями являются шихтовые металлы (различные отходы, возврат собственного производства), атмосфера и материалы футеровки плавильных и
раздаточных ёмкостей и т. д. [17, 18]. Водород, который из большинства газов хорошо растворяется в алюминиевых расплавах, является причиной формирования газовой пористости в сплавах и отливках при затвердевании. Нерастворимыми включениями считают оксиды алюминия, шлаковые включения и т. д. На рис. 3.4 дана классификация
известных способов очистки алюминиевых расплавов.
39
3.4. Способы рафинирования и дегазации алюминиевых расплавов:
УЗО – ультразвуковая обработка; ЭМАП – электромагнитные акустические поля;
ЭГИО – электрогидроимпульсная обработка; НЭМИ – обработка наносекундными
электромагнитными импульсами; МИО – магнитно-импульсная обработка;
ПРО – плазмореагентная обработка
К традиционным способам удаления взвешенных твёрдых включений и растворённого водорода из алюминиевых расплавов относятся:
– отстаивание расплавов;
– обработка солевыми смесями на основе соединений фтора
и хлора;
– продувка через расплавы инертных и активных газов;
– вакуумирование;
– фильтрация расплавов через специальные фильтры (сетчатые,
гранулированные, пенокерамические).
В основе вышеперечисленных методов лежат различные физические и химические процессы:
– седиментация (отстаивание расплавов);
– удаление (экстрагирование) за счёт адсорбционно-флотационных
механизмов (обработка флюсами);
– флотация (обработка активными и инертными газами);
– адгезия (фильтрация).
40
Обработка расплавов флюсами с целью снижения газосодержания в плавильных агрегатах или миксерах характеризуется наименьшей эффективностью: степень дегазации составляет не более 20 %.
Наилучшие показатели по снижению растворённого водорода обеспечивает вакуумирование: степень дегазации достигает до 70 %.
Большинство известных физических способов рафинирования расплавов базируется на процессах, которые протекают во взаимосвязанной системе «расплав – внешние силы». Из всех известных физических
способов рафинирования наибольшее распространение получило вакуумирование. Научный и практический интерес представляют такие
физические способы, как электрообработка, ультразвуковая, акустическая, электрогидроимпульсная, магнитно-импульсная, плазменная обработки. В первую очередь, физические способы очистки алюминиевых
расплавов не загрязняют атмосферу цехов вредными газообразными
продуктами реакций и не способствуют образованию в шлаках водорастворимых соединений. Технологии обработки расплавов вышеперечисленными способами являются более управляемыми по сравнению с
традиционными способами. Это позволяет гибко управлять процессами
обработки в зависимости от химического состава и происхождения
сплавов, степени их загрязнения различными примесями и т. д. Результаты исследования эффективности физических способов обработки показывают, что помимо рафинирующего эффекта происходит и модифицирующее влияние на структуру литых изделий.
Обработка расплавов флюсами. В основу большого количества
применяемых в литейном производстве флюсов для обработки алюминиево-кремниевых расплавов входят соединения натрия и калия
с хлором и фтором. Широкое применение флюсов для рафинирования
и дегазации обусловлено сравнительно невысокими ценами и простотой их применения. Однако флюсовая обработка имеет следующие
существенные недостатки:
– низкая управляемость процессом рафинирования (в производственных условиях имеется только одна возможность – варьирование
количеством вводимого препарата);
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]