Раздел 8. Производство вторичного алюминия

Раздел 8. Производство вторичного алюминия

8.1 Воздействие на окружающую среду

Алюминий - самый часто перерабатываемый материал. Вторичное использование алюминия снижает энергозатраты и выбросы углекислого газа в атмосферу. Вторичным алюминием называют алюминиевые сплавы, полученные путем переплавки лома и отходов.

Алюминий поддается стопроцентной переработке, не утрачивая при этом своих уникальных свойств. Около 75 % алюминия, выпущенного за все время существования отрасли, используется до сих пор. Переработка алюминия требует затрат энергии в количестве, составляющем всего 5 % от энергозатрат на его производство из глинозема, а объем выбросов парниковых газов при производстве вторичного алюминия составляет 5 % от количества выбросов при выпуске первичного алюминия.

Сегодня производство вторичного алюминия занимает около 16 % от общего объема выпуска алюминиевой продукции в России, и его доля продолжает расти. При этом объемы производства вторичного алюминия в России составляют около 40 % от общего объема потребления алюминиевой продукции, поскольку значительная часть первичного алюминия и сплавов на его основе экспортируется.

Анализ мировых тенденций развития металлургии вторичного алюминия свидетельствует о достаточно высоких и устойчивых темпах расширения его производства, обусловленных двумя основными причинами:

- благоприятными технико-экономическими показателями (в структуре себестоимости производства вторичных алюминиевых сплавов затраты на сырье и материалы составляют около 88 %, а на энергию - только около 2 %, в то время как затраты на электроэнергию при производстве первичного алюминия превышают 40 %);

- возможностью реализации производства в экологически более чистых вариантах.

В Японии практически осуществлен переход на выпуск вторичного алюминия, а в США уровень утилизации алюминиевого лома составляет более 60 %. В России отмечается стремление к освоению процесса получения вторичного алюминия на заводах, ориентированных ранее только на производство первичного алюминия и полуфабрикатов из него. Таким образом, производство вторичного алюминия является сегодня важнейшей составляющей металлургии алюминия, а состояние его характеризует уровень национальной общетехнической культуры.

Несмотря на то что для России рециклинг алюминия очень актуален и органично вписывается в государственную экологическую политику, средний уровень использования промышленных отходов составляет примерно 36 %.

В России действует более 13 000 предприятий и индивидуальных предпринимателей, имеющих лицензии на заготовку, переработку и реализацию лома и отходов цветных металлов. При этом предприятия, у которых отходы образуются в процессе основной деятельности, таких лицензий в большинстве случаев не имеют.

Металлургическую переработку алюминиевого лома и отходов осуществляют более 100 заводов - производителей литейных алюминиевых сплавов и раскислителей. Кроме того, лом и отходы алюминия и его сплавов вовлекают в производство около 30 производителей алюминиевого профиля и проката.

Мощности российских металлургических предприятий, которые специализируются на производстве алюминия вторичного и его сплавов, в 1,8 раза превышают объемы заготовки лома и отходов алюминиевых. В связи с этим имеется проблема, связанная с недостатком качественного сырья (лома с низким содержанием других металлов, сплавов и неметаллических примесей). Сегодня предприятия перерабатывают алюминиевый лом с более высоким содержанием примесей, что осложняет технологии производства вторичного алюминия. В итоге у переработчиков появляется проблема рационального использования ресурсов своего предприятия. Именно поэтому сегодня особо острой является необходимость в разработке более эффективных методов переработки вторичного алюминия и модернизации оборудования данного производства. Все это необходимо для сокращения затрат на технологические процессы, сокращения безвозвратных потерь алюминия, снижения негативного влияния на окружающую среду, а также для расширения номенклатуры выпускаемых сплавов и обеспечения высокого качества продукции.

Переработка лома и отходов для производства вторичного алюминия требует минимальных затрат энергии по сравнению с производством первичного металла, и при ней выделяется гораздо меньше газов, вызывающих парниковый эффект. По этой причине алюминиевые компании вкладывают денежные средства в современные предприятия по рециклингу алюминия.

8.1.1 Сырье и материалы, использующиеся при производстве вторичного алюминия

Вторичная переработка алюминия имеет свои особенности. Алюминий содержится как в кусковом промышленном и бытовом ломе, так и в фольге, стружке, шлаке и упаковке. Ненужная бытовая техника, остатки от производства посуды и бытовых принадлежностей, отслужившее оборудование и автомобильная техника - практически в любой сфере человеческой жизни образуется лом алюминия, который можно и нужно перерабатывать для повторного использования и сохранения природных ресурсов.

Алюминий - ценный металл, обладающий множеством полезных свойств. Соединения алюминия применяются не только в строительстве и бытовом производстве, но даже в выпуске лекарственных средств, а алюминиевые сплавы помогают получать металлические изделия практически с любыми свойствами. Правильно переработанный алюминиевый лом - это отличное сырье для производства отливок, металлопроката и профиля, безопасной нетоксичной посуды. Естественно, в разных случаях и процесс обработки протекает по-разному. Так, например, процесс переработки мелкого промышленного мусора более трудоемкий, нежели переплавка бытового лома (алюминиевые банки и пр.). Извлечение алюминия, содержащегося в упаковке, фольге, в стружке и шлаке, требует предварительной подготовки сырья.

При плавке алюминия образуются шлаки, представляющие собой вредную смесь из химических соединений, образующихся при контакте алюминия с кислородом, и флюсов.

Алюминиевым ломом называются б/у изделия, производственные отходы с содержанием основного металла не менее 70 %. Лом содержит в себе включения органических материалов, при плавлении они могут загрязнять атмосферу вредными соединениями. К ним относятся: краска, резина, остатки изоляции, полимеры и другие материалы. Кроме того, во многих видах лома присутствуют приделки из тугоплавких металлов (сталь, чугун, титан), которые в процессе плавки лома могут частично растворяться в жидком алюминии и ухудшать его химический состав.

Для упрощения процедуры переплавки, а также для расшихтовки примесей, входящих в химический состав лома, в некоторых случаях добавляется первичный алюминий.

Если в ломе присутствует магний, очистка от него будет происходить с помощью хлора, хлоридов натрия и калия, фтористых соединений калия и алюминия. Цинк и магний в ряде случаев ухудшают качество алюминиевого сплава, при этом их нельзя определить визуально.

Обычно содержание цветного металла в мелких изделиях не превышает 30-90 % по весу.

Если следовать технологии правильно, в шлаке после переплава лома останется лишь 1-2 % от общего объема переплавленного алюминия. Из-за большой доли включения алюминия в шлаке его перерабатывают до тех пор, пока максимально не извлекут чистый металл. Для этого шлак сортируют, дробят, сепарируют от неметаллических составляющих, после чего полученный концентрат переплавляют в присутствии солевых флюсов, которые помогают выделить алюминий. Далее сливается чистый металл, а солевой кек утилизируется.

По статистике в России до 40 % алюминия в виде бытовых и промышленных изделий возвращается на вторичную переплавку. Как правило, это окупается, правда, рентабельность такого производства очень сильно зависит от качества переплавляемого лома.

Многие производители цветного металла и упаковки с использованием алюминия создают специальные программы, касающиеся вторичного использования алюминиевой упаковки, посуды и промышленных емкостей. Алюминиевый лом и отходы, содержащие в своём химическом составе более 1,2 % железа, в основном применяют для производства раскислителей, используемых для снижения содержания кислорода при производстве стали.

Наиболее дорогостоящим видом металлолома является алюминий электротехнический - жилы, полученные в результате разделки кабелей и проводов. Они не должны иметь загрязнений, следов краски или лакокрасочного покрытия. Неразделенный алюминиевый провод не относится к данному виду металлолома и оплачивается значительно ниже.

Перед металлургическим переделом вторичного сырья используют операции сушки стружки, лома и кусковых отходов, флюсов, шлаков и других продуктов для придания допустимого содержания влаги: в шихте, поступающей на переплав, не более 4 %, а шлаках и флюсе - 1 %.

Одним из распространенных отходов производства является алюминиевая стружка. Металлурги предъявляют к ней достаточно жесткие требования - она должна быть сухой, очищенной от неметаллических примесей (пыль, формовочные смеси) и магнитной фракции.

Алюминиевые банки - также довольно распространенный вид лома. Отсутствие металлических включений - главное требование, предъявляемое к ним. Сплавы, полученные из переработанных алюминиевых банок, при правильной подготовке сырья, плавке с применением современных технологий и рафинировании от газов и неметаллических включений успешно используются для повторного изготовления аналогичной тары.

Для сушки сырья и вспомогательных материалов перед плавкой используются барабанные, камерные (для сушки кускового лома и отходов перед загрузкой в плавильную печь для снижения содержания свободной влаги в сырье до 3-4 %), индукционные (для сушки мелкозернистого материала (дробленого флюса)) и другие типы сушильных установок.

Чтобы получить высокие технико-экономические показатели при переработке стружки, ее необходимо очистить от влаги, масла и других механических примесей.

8.1.2 Анализ приоритетных проблем отрасли

Предприятия, перерабатывающие смешанный лом, и заводы, которые специализируются на производстве проката и профиля, не отличаются по качеству производимой продукции, но отличаются по типу производимых сплавов. Деформируемые сплавы, производимые прокатными заводами и производителями профиля, подходят для прокатки и прессования, тогда как переработчики смешанного лома производят литейные сплавы и раскислители. Переработчики смешанного лома могут использовать сырье, состоящее преимущественно из деформируемых сплавов, для корректировки химического состава своей продукции. Однако при производстве деформируемых сплавов нельзя использовать литейные сплавы. В основном это объясняется тем, что в них содержится много меди и кремния.

Удовлетворение требований к качеству вторичных алюминиевых сплавов, предъявляемых заказчиками, требует приложения немалых усилий. Для этого необходимы тщательная подготовка сырья, расчет шихты, контроль лома и эффективная обработка жидкого металла с целью удаления нежелательных примесей, в том числе растворенных газов и неметаллических включений. Как только вторичное сырье доставляется на завод, его необходимо отсортировать и передать на хранение в специально установленные места для раздельного хранения по видам лома и группам сплавов, из которого он состоит. Это позволяет скомпоновать партии лома и отходов в соответствии с расчетами шихты. Быстрая переплавка и перелив металла в миксеры также имеют большое значение для производства алюминиевых сплавов хорошего качества, потому что эти операции сокращают потери ценного алюминия и легирующих компонентов, а также позволяют минимизировать содержание нежелательных примесей, таких как железо. А упорядоченный перелив металла предотвращает образование и вкрапление окислов металлов. Некоторые нежелательные элементы, такие как калий, натрий, кальций или магний можно удалить или сократить их содержание путем обработки газообразным хлором или фторсодержащими флюсами в плавильной печи. При плавке в роторных печах дополнительной обработки для удаления указанных примесей не требуется, поскольку в условиях роторной печи они реагируют с компонентами флюса и переходят в солевой кек. Другие элементы, такие как медь, железо, цинк, кремний и им подобные, невозможно устранить. Их содержание должно быть ограничено путем правильного расчета шихты, умелого смешивания расплавленного металла с другим имеющимся ломом или добавления первичного алюминия. Однако последний метод практически не применяется при производстве литейных сплавов и раскислителей по причине необоснованного повышения себестоимости продукции.

Значимость одной операции на производственном предприятии очень часто недооценивается: речь идет об очистке печей и литейных желобов. Не все легирующие элементы, пригодные для одного конкретного сплава, подходят и для другого сплава. Поэтому при замене сплава весь предыдущий сплав должен быть удален. Какая-то часть металла в желобах и другом транспортном оборудовании может остаться в виде застывшего материала. Но все же больше всего его содержится в шлаковых настылях, скапливающихся на стенах и подине печей. Необходимо полностью удалять этот шлак. Это непростая работа. Поэтому проектировщикам завода следует обращать особое внимание на конструкцию печи, которую они хотят установить на своем заводе, чтобы предусмотреть возможность легкой и нетрудоемкой очистки, то есть удаления шлака.

Даже при всей тщательности расчета шихты и соблюдения технологии иногда содержание различных элементов во всей партии металла в печи превышает допустимые пределы, и ничто не может исправить положение, кроме добавления другого металла или первичного алюминия. Такую партию приходится временно отложить, потому что если отправить ее на доработку и разливку, то это может приостановить работу печи на некоторое время. С другой стороны, весь объем металла должен составляться такими порциями, которые позволили бы поэтапно добавлять ценный материал в процессе производства, как только он понадобится. По этой причине даже на самых маленьких заводах желательно иметь установку для литья крупногабаритных слитков в изложницы. Чтобы регламентировать производство хотя бы некоторого количества продукции одного и того же качества, международный рынок металлов установил требование к размеру минимальной партии алюминия - 20 т. Этот фактор также нужно учитывать при установке печей.

Правильная дегазация металла должна быть стандартной операцией на любом заводе, перерабатывающем смешанный лом. Однако известно, что машины для литья под давлением не предполагают рафинирование металла перед литьем. Поэтому газовые включения, такие как водород, не удаляются при последующих литейных операциях, и в металле может накопиться еще больше водорода, что в конечном счете приводит к появлению в отливке пор. Таким образом, ответственность за отсутствие в металле газовых включений лежит на заводе - производителе сплавов.

Качество является очень важным фактором для производства, поскольку плохое или хотя бы более низкое качество существенно сказывается на конечном продукте.

Надлежащее качество может быть достигнуто только при условии высокого качества оборудования, предназначенного для каждой отдельной операции, и аккуратной работы операторов.

Алюминий принадлежит к числу наиболее экологичных металлов. Высокая регенерационная способность алюминия - одно из экологических преимуществ этого материала. Он легко поддается переработке и может использоваться вторично неограниченное число раз. Его производство наносит гораздо меньший вред экологии, чем производство других металлов. Использование вторичного алюминия, полученного при переработке ломов и отходов, экономит до 95 % энергии, необходимой для выплавки первичного металла, сохраняя природные ресурсы и существенно снижая выбросы таких газов, как СО ₂, NO ₂, SO ₂.

8.2 Описание технологических процессов при производстве вторичного алюминия

Производство вторичного алюминия ведется по двум основным направлениям. В первом случае собранные отходы и лом алюминия определенного формата и типа сплава могут быть переплавлены и обработаны без дополнительной подготовки. Более того, допускается наличие определенного, но не слишком большого количества неметаллических загрязнений. Поступивший металлолом просто переплавляется, химический состав расплава корректируется в случае необходимости, металл рафинируется, модифицируется, фильтруется и разливается в заготовки для проката или экструзии. Как правило, такой способ переработки алюминиевого лома и отходов применяется в отношении отходов деформируемых сплавов на прокатных и прессовых заводах, а также на предприятиях, производящих слитки для производства профиля методом экструзии. Освоение такого процесса облегчает переработку оборотных отходов прокатных и прессовых заводов. Стремление промышленных предприятий продолжать работать в этом направлении уменьшает объемы чистого и нового лома на рынке.

Второе направление - процесс плавки и рафинирования смешанного и литейного лома, как правило, применяется при производстве литейных сплавов. Для этого вида производства могут использоваться все виды лома и сплавов. Но при этом металл необходимо рафинировать после плавки. Путем правильного смешивания разных видов сырья, прошедших предварительное удаление неметаллических примесей, можно получить нужный сплав в соответствии с требованиями желаемого химического состава.

В настоящее время большая часть имеющегося лома - в зависимости от продолжительности жизненного цикла соответствующего изделия - собирается и перерабатывается на высокоразвитых предприятиях с очень высокой производительностью, где не требуется больших людских ресурсов. Для строительства таких заводов необходимо вложение значительных денежных средств. Подробное рассмотрение общей планировки завода и привлекаемого оборудования очень важно для экономического успеха предприятия. Специальное оборудование, которое способно обрабатывать материал особого типа, конечно, очень эффективно в условиях современной ситуации, однако может послужить и ограничивающим фактором, если изменится ситуация на рынке или если сырьевой материал, т.е. алюминиевый лом, станет менее доступным.

Для повторного производства различных алюминиевых сплавов лом и отходы необходимо переплавить и отлить в формы в соответствии с требованиями рынка. Чтобы минимизировать негативное воздействие примесей и композиционных материалов, необходимо устранять их экономически выгодным путем с учетом экологических факторов. Хотя процессы плавки являются центральным моментом при переработке лома и отходов алюминия, в случаях переработки смешанного и литейного лома, стружки и шлаков предпочтение отдается подготовительным работам и механическому обогащению перед началом плавки. Вследствие этого современный процесс вторичной переработки алюминия включает механическое обогащение и сортировку лома с последующей металлургической обработкой. Технологическая схема рециклинга алюминия представлена на рисунке 8.1.

Для разных типов материала требуется разная обработка. Чистый лом без неметаллических примесей и приделок других металлов складируется отдельно по группам сплавов и затем отправляется напрямую в плавильный цех. То же происходит и с материалом с очень незначительным содержанием неметаллических загрязнений. Весь остальной материал подлежит специальной подготовительной обработке.

Целью механического обогащения лома алюминия, поставляемого из различных источников, является придание ему более удобной формы для последующей переработки на заводе либо дробление его на сравнительно небольшие фрагменты, чтобы удалить неметаллические компоненты и/или металлические включения, от которых необходимо избавиться к моменту переплавки.

Рассортированный материал с высокой степенью очистки подвергается прессованию. В основном так поступают со сплавами, которые легко гнутся и формируются. Прессование проводят с целью уплотнения некомпактного сырья в пакеты определенной массы, габаритов и плотности. Эта операция предназначена для сокращения расходов на транспорт, хранение сырья, уменьшения угара при плавке, повышения производительности плавильных печей. Размеры пакетов для каждого вида сырья принимают из местных условий, а плотность пакета, определяемая величиной прессового усилия и толщиной прессуемого материала, колеблется для алюминия в пределах 1400-2400 кг/м ³, при этом получаются пакеты с различными размерами, в зависимости от типа имеющегося оборудования. Пакетированию подвергают отходы труб, прутков, обрези, витую стружку, путанку, бытовой лом.

Также для повышения компактности вторичного сырья применяется измельчение крупнокускового лома при помощи пресс-ножниц.

Крупный лом, отливки или материалы в виде конструкций, например, оконные рамы, разрезают на части и сортируют по размеру и группам сплавов.

Алюминиевая стружка за счет своей развитой поверхности, как правило, содержит в значительных количествах (до 25 % по массе) примеси смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), а также мелкодисперсных черных металлов. Наличие примеси черных металлов при плавке стружки могло бы привести к серьезному ухудшению химического состава полученного сплава, поскольку удалить эти мелкодисперсные примеси механическим путем из ванны металла, как это делается при плавке кускового алюминиевого лома с железными приделками, не представляется возможным. В итоге механические примеси черных металлов, содержащиеся в стружке, рано или поздно полностью растворятся в алюминии. Это приведет к получению брака в связи с превышением допустимого содержания железа в химическом составе сплава.

В связи с этими особенностями алюминиевую стружку необходимо освобождать от примесей СОЖ путем сушки при повышенных температурах или центрифугирования. После удаления СОЖ алюминиевая стружка подвергается магнитной сепарации для удаления черных металлов, складируется по группам сплавов и отправляется на плавку.

Шлаки, образующиеся при производстве первичного алюминия и переработке лома и отходов, могут содержать от 20 до 80 % извлекаемого металлического алюминия. Их переработкой занимаются, как правило, специализированные предприятия, имеющие оборудование для обогащения бедных шлаков и роторные печи для плавки полученных концентратов. Богатые шлаки, содержащие от 60 до 80 % металла, могут переплавляться в роторных наклоняемых печах или барабанных печах с постоянной осью вращения без предварительного обогащения. Плавка бедных шлаков без обогащения неэффективна, поэтому их подвергают дроблению, измельчению и сепарации для получения концентратов с содержанием металлического алюминия не менее 60 %.

Рисунок 8.1 - Схема технологического процесса рециклинга алюминия

8.2.1 Технологические схемы переработки лома и отходов алюминия

8.2.1.1 Измельчение

На крупных заводах по механической обработке лома поступающий материал представляет собой разнородную смесь из металлов и пластмасс и других неметаллических материалов. При взвешивании материала либо во время его прохождения через входные ворота проводится проверка на содержание радиоактивных компонентов с использованием соответствующего оборудования. В зависимости от типа ломоподготовительного предприятия-поставщика может также поставляться очищенный материал. Такой лом отбирается на основе визуального осмотра, после чего передается на хранение в специально отведенных для него местах. Этот материал продается напрямую плавильным заводам без предварительной обработки.

Основная масса лома либо проходит ручную сортировку, либо перерабатывается путем его измельчения в шредере с последующей сепарацией в несколько стадий. Для работы с крупногабаритным ломом обычно рядом с загрузочным конвейером шредера находятся два или три передвижных крана с грейферами. Обработанный материал скапливается рядом с пунктами разгрузки дробильных установок. Его разделяют на алюминий, неметаллические примеси и черные металлы. Некоторые пылевидные и мелкие легковесные компоненты лома при дроблении отводятся через систему удаления отходящих газов. Разнородный измельченный материал поступает на специальные склады, откуда его впоследствии погружают на грузовики для доставки непосредственным заказчикам или для дальнейшей переработки.

Для эффективной работы установки для измельчения необходимо добиваться получения дробленого лома минимального размера, который не всегда совпадает с размером, типичным для металлургического перерабатывающего завода. Механическому обогащению должен подвергаться только лом, состоящий из композиционных материалов (металл + неметаллы), а также содержащий приделки из других металлов, таких как железо, медь, свинец, цинк и т.д. Для того чтобы оправдать дальнейшую сортировку и использование сепарационного оборудования, размер завода должен соответствовать пропускной способности установки для измельчения и обеспечивать достаточную загрузку оборудования. Завод подобного типа должен непрерывно работать со специфическим сырьем, чтобы быть рентабельным. Пропускная способность установки для измельчения может достигать от 15 т/ч до 240 тонн в день при работе в две смены.

Обычный металлургический перерабатывающий завод, кроме измельченного лома, обрабатывает и лом, не требующий механического обогащения. Учитывая эти факты, не обязательно иметь на одном предприятии установки для механического обогащения и металлургические печи одинаковой производительности. Вполне возможна такая ситуация, когда одна установка для измельчения лома будет поставлять нескольким плавильным заводам материал, подходящий для выпускаемой ими продукции. Однако, в зависимости от типа имеющегося лома, на металлургическом заводе по производству вторичного алюминия может понадобиться и собственная небольшая установка для измельчения и сепарации лома.

С другими видами механической подготовки, такими как удаление покрытия или обработка шлака, ситуация совершенно иная. Производственная мощность оборудования для этих работ относительно невелика и может быть выбрана в соответствии с потребностями отдельного металлургического завода.

Установка для измельчения лома должна иметь производственную мощность, достаточную для переработки поступающих объемов лома, и быть оборудована широкой входной частью для того, чтобы можно было загрузить в нее крупные куски. Основной нежелательной примесью в дробленом алюминиевом ломе, которую необходимо отделить, являются черные металлы. В ломе может присутствовать в том числе нержавеющая сталь, которая не очень магнитоактивна, поэтому для отделения черных металлов следует использовать магнитные системы с сильным полем.

Оставшийся алюминий все еще смешан с пластиком и мусором. Эти примеси удаляются с помощью потока воздуха, который образуется в системе отвода отработанных газов установки для измельчения, либо с помощью вихревых токов или сочетанием обоих способов. Эти загрязнения удаляются как отходы процесса измельчения. Очищенный от черных металлов и неметаллических примесей лом поступает на следующую стадию, где удаляются примеси прочих металлов. Их удаление может осуществляться несколькими способами:

- сепарация в тяжелых средах;

- электродинамическая (вихретоковая) сепарация;

- рентгенофлуоресцентная сепарация.

Также для удаления прочих немагнитных металлов из дробленого алюминиевого лома может использоваться ручная сортировка. Однако она не является предпочтительной, поскольку связана с повышенными трудозатратами и трудностью визуального определения некоторых металлов в мелких кусках.

Отделение прочих немагнитных металлов в тяжелых средах также не является предпочтительным. В этом случае используется суспензия на основе ферросилиция, и в алюминиевом ломе остается небольшое количество железа. Кроме того, после сепарации в тяжелых средах требуется промывка продукта и его сушка перед подачей на плавку.

В качестве конечного материала после всех видов сепарации остаются чистые куски алюминия размером от менее 10 мм до 50-100 мм, которые хорошо переплавляются в отражательной или роторной печи.

Шлак - еще один распространенный вид сырья, требующий обогащения с использованием дробления. В зависимости от источника он может содержать алюминий высокого качества. Такой шлак обычно поставляется с электролизных заводов. Шлак состоит в основном из алюминиевых частиц и оксида алюминия (Аl ₂О ₃). Однако содержание металла в нем может быть и довольно низким - 20 % (масс.), хотя обогащение делает возможным его эффективное использование для производства вторичного алюминия.

Дробление и измельчение применяются при переработке алюминиевых шлаков, являющихся отходами производства вторичного алюминия во всех типах печей, а также электролизного производства первичного алюминия.

Отдельно следует упомянуть использование дробления при переработке солевых шлаков и кеков, образующихся при плавке лома и отходов на роторных печах. Этот материал содержит металлический алюминий в таких количествах, что его дальнейшее извлечение экономически не оправданно. В процессе измельчения и последующих операций по удалению соли (как правило, с использованием выщелачивания) разделяются основные компоненты: соли, алюминий и оксид алюминия. Мировой опыт показывает, что работа таких установок убыточна, поскольку стоимость извлекаемых компонентов солевого кека (шлака) не окупает затраты на их разделение. Предприятия по переработке солевых кеков от плавки алюминиевого лома и отходов на роторных печах в странах Евросоюза и ряде других стран строятся и функционируют только при условии государственных дотаций или взимания достаточно высокой платы за утилизацию кека с предприятий, на которых он образуется. Такие заводы имеют достаточно большую мощность и размещаются, как правило, в центральном регионе для того, чтобы перерабатывать солевые шлаки, поступающие от различных переработчиков вторичного алюминиевого сырья. В России таких установок нет в связи с отсутствием нормативной базы, обеспечивающей их функционирование в условиях плановой убыточности.

Измельчение используется также при переработке вьюнообразной алюминиевой стружки. Такая стружка образует спутанные клубки, которые нельзя загружать в сушильные установки и магнитные сепараторы. Для того чтобы обеспечить возможность сушки и удаления механической примеси железа, такую стружку дробят.

Дробилки

В зависимости от типа материала и желаемого гранулометрического состава применяются разные типы дробильного оборудования. В основном данное оборудование используется для переработки съемов и алюминиевого шлака, но и для использованных банок для напитков и металлической токарной стружки также необходимо измельчение. Это оборудование довольно компактно. Но оно имеет значительные отличия, если обрабатывается крупногабаритный материал, содержащий большое количество посторонних загрязнений. В связи с большой мощностью таких установок их следует рассматривать как ключевое оборудование для механической обработки алюминиевого лома.

Ударная дробилка

На заводах по вторичной переработке алюминия для измельчения чаще всего используется ударная дробилка (рисунок 8.2). Она состоит из вращающегося ротора с мощными стальными измельчающими лезвиями из износостойкой стали. Лезвия являются изнашиваемыми деталями и могут быть легко заменены. Материал, подающийся на ротор, проходит через набор тяжелых стальных отбойных плит, которые подвешены на поворотном устройстве и поддерживаются упорными стержнями. Под воздействием сильного удара материал разбивается и выгружается из дробилки через донное окно.

1 - измельчающее лезвие, 2 - ротор, 3 - отбойная плита

Рисунок 8.2 - Ударная дробилка

Если конструкция измельчающих лезвий подобна молотам, прикрепленным к ротору и подвешенным с помощью шарнирных болтов, то дробилка представляет собой молотковую мельницу. Еще одной разновидностью являются дробилки с решетками, установленными в рабочей камере. Принцип измельчения примерно такой же, как и у традиционной ударной дробилки. В основном они применяются для обработки небольших партий материала, но обеспечивают более равномерный размер кусков измельченного материала, чем в традиционной ударной дробилке. После предварительного измельчения материал пропускается через нижнюю или верхнюю решетку или через обе сразу. Небольшие молотковые мельницы в основном используются при обработке шлака.

Шредер

Для измельчения лома алюминия используются большие установки мощностью 1000 кВт или более. Их уже нельзя назвать молотковыми или ударными дробилками, они известны под наименованием шредеров и являются ключевым оборудованием для процессов механического обогащения смешанного алюминиевого лома. Концепция их устройства в основном та же, что и у ударной дробилки, состоящей из ротора с горизонтальной осью, к которому прикреплены молоты. Материал разбивается под воздействием молотов и от удара об решетку и отбойные плиты. Разница состоит в размере или типе ротора и его скорости. Шредер оборудован решеткой для пропуска измельченного продукта. Некоторые алюминиевые сплавы, в частности деформируемые сплавы, очень прочны и не легко поддаются измельчению. Поэтому верх дробилки открыт. Основной поток материала проходит через верхнюю решетку и выводится наружу в кожух шредера. Измельченный алюминий падает на вибрационный конвейер, при этом пыль отсасывается через верхнее окно для выпуска воздуха. Вытяжка воздуха обеспечивается вентилятором фильтрационной установки и работой шредера, который действует как вентилятор. Необходимо отметить, что температура в установке для измельчения может достигать 200-300 °С вследствие работы деформации. Материал выходит из установки через нижнее выпускное окно.

Шредеры бывают разных размеров с мощностью до 2200 кВт (примеры приведены в таблице 8.1). Производительность зависит от вида алюминия. Обработка отливок требует удельного расхода электроэнергии 20-25 кВтч/т, для деформируемых сплавов энергопотребление увеличивается примерно в 3 раза и достигает 50-75 кВтч/т.

Таблица 8.1 - Характеристика шредера Zerdirator

Тип шредера Zerdirator	Мощность привода (кВт)	Ширина рабочего пространства (мм)	Деформируемые алюминиевые сплавы (т/ч)	Алюм. отливки (Т/Ч)
ZZ 175 х 160	499	1600	6-10	20-30
	600		8-14	25-35
	750		10-16	35-45
ZZ 175 x 260	750	2600	12-18	40-50
	920		14-22	45-65
	1030		15-25	50-70
ZZ 210 x 260	1470	2600	20-36	60-100
	1840		26-42	80-120
	2200		32-48	100-140

Щековая дробилка

Щековая дробилка используется для измельчения больших кусков лома, таких как отливки больших размеров (блоки цилиндров двигателей), или крупных кусков шлака. Щековая дробилка состоит из одной фиксированной щеки и одной подвижной щеки, которая крепится на эксцентрическом приводном вале в верхней части и удерживается в требуемом положении прочным контрфорсным стержнем на нижней части щеки. Благодаря подшипнику эксцентрика подвижная щека совершает круговые движения, которые обеспечивают поступление материала сверху и проталкивание его в дробилку. Стержень на дне удерживается пружиной или системой с гидравлической нагрузкой, которая способна обеспечить проход, если в установку с силой проталкивается слишком большой кусок материала. В отличие от ударной дробилки, в щековой дробилке материал разбивается на очень мелкие фракции. Однако она может перерабатывать только хрупкие материалы. Это идеальное оборудование для переработки литых алюминиевых деталей, например, корпусов двигателей.

Другое оборудование для измельчения, такое, как конусная дробилка или валковая дробилка, не используется в промышленности по вторичной переработке алюминия.

Шаровая мельница

Это оборудование применяется, когда необходимо получить довольно мелкие частицы. Особым случаем является измельчение шлака. В этом материале алюминий покрыт слоями оксида алюминия. В шаровой мельнице оксид алюминия измельчается, и высвобождается металлический алюминий. Так как этот материал очень вязкий, он не разрушается и выходит из устройства в виде твердых частиц. Шаровая мельница состоит из вращающегося барабана, поддерживаемого мощными подшипниками на входе и выходе материала. 30 % объема заполнено шарами разных размеров.

Когда барабан вращается, шары обрушиваются на материал, что и вызывает эффект измельчения. Так как в шаровую мельницу непрерывно подается материал, готовый измельченный продукт также непрерывно покидает устройство через окно на оси с другой стороны барабана. Пыль и другие мелкие частицы удаляются потоком воздуха. Этот поток, создаваемый большим вентилятором, проходит через всю шаровую мельницу от выхода до входа. Воздух, наполненный пылью, затем направляется в фильтрационное устройство, обычно это мешочный пылеуловитель.

Для повышения эффективности размола часть пыли и воздуха, содержащего мелкие частицы, возвращается в мельницу перед тем, как окончательно вывести этот продукт из цепи. Эта система подходит для обработки шлака. Привод состоит из двигателя с регулируемой скоростью вращения и коробкой передач, которая соединена с зубчатым колесом, размещенным вокруг барабана мельницы. Материал, подающийся и выходящий из шаровой мельницы, должен проходить через воздушную разделительную камеру, чтобы избежать утечки воздуха из устройства. Стенки мельницы усилены съемными облицовочными панелями.

8.2.1.2 Классификация для сортировки

При измельчении получаются фрагменты материала разной величины. Для сортировки их по размеру используются классификационные установки. Существуют две основные группы такого оборудования: вибрационные сита и сортировочные барабаны.

Вибрационные сита

Вибрационное сито состоит из одной или двух дек с различными размерами отверстий. Они представляют собой закрытые короба, расположенные на пружинах. Вибрация создается несбалансированными двигателями или электромагнитной системой. Таким образом, вибрационная система состоит из осциллирующей силы и пружин. Параметры подбираются так, чтобы достигнуть сверхкритического движения, то есть сито работает сверх резонансной частоты. Так как эксцентрическая скорость дек сита превышает гравитационную скорость, все частички поднимаются в воздух и падают на деку, освобождая отверстия, поэтому более мелкие частички могут попасть на нижнюю деку. В конечном счете мелкие частички, прошедшие вторую деку, собираются на дне сита, расположенном под наклоном, и выгружаются оттуда по мере необходимости. Материал, не прошедший через деку, тоже выбрасывается из сита, попадает в накопитель и впоследствии может быть отправлен в дробилку. Движение загруженной партии материала обеспечивается наклоном вибрационного сита в сторону выгрузки материала.

Сортировочные барабаны

Другим приспособлением для сортировки является сортировочный барабан. Он состоит из барабана с различными окнами или отверстиями в корпусе. В разных секциях барабана расположены отверстия разного диаметра. Проходя через барабан, материал может быть рассортирован по размеру на несколько фракций. Размер отверстий увеличивается по мере приближения к выходу материала. Таким образом, в первой секции отсеиваются самые мелкие частицы. В следующей - более крупные частицы и так далее, пока в конце не отделяются самые крупные фракции материала. Материал, не прошедший в самые крупные отверстия, выходит из устройства. Сортировочный барабан поддерживается на роликовых подшипниках опорным кольцом в основании. Движение обеспечивается двигателем с переменной скоростью вращения. Частицы разного размера собираются в контейнеры или поступают на ленточный конвейер для транспортировки к месту последующей обработки.

При просеивании обрабатываемый материал разделяется на группы по размеру. Но его также необходимо распределить и по составу. Этот процесс обычно называют сортировкой. Удаление других металлов или немагнитных материалов производится разными методами. Сверхлегкие материалы, такие как бумага или легкий пластик, уже удалены потоком воздуха в установке для измельчения. Но тяжелые материалы, такие как сталь, медь, свинец, олово, бронза и цинк, часто соседствующие с алюминием в составе композиционных материалов, еще присутствуют в смеси измельченного материала. Чтобы отделить их, используют разницу гравитационных свойств и плавучести в процессе сепарации в тяжелой суспензии, как и при сепарации потоком воздуха, или их физических характеристик, как при разделении вихревыми токами, рентгенофлуоресцентной сепарацией, или магнитной сепарацией.

Ленточные конвейеры для ручной сортировки

Простейшим оборудованием для сортировки является сортировочный конвейер, движущийся на небольшой скорости. Рабочие по обеим сторонам конвейера отбирают материал, который был признан негодным или относится к другим металлам. Критериями классификации являются форма, внешний вид, цвет или вес. В партии могут находиться разные металлы. Конвейер может работать либо непрерывно, либо с периодическими остановками, в зависимости от количества удаляемого материала. Для повышения производительности обычно используются ленточные конвейеры с непрерывным режимом. Для рабочего места в сортировочной позиции допустима длина от 1,5 до 2 м при максимальной длине ленты 16 м. Скорость транспортера зависит от сложности сортировки и может быть в пределах 1,5-2 м в минуту.

Процесс сортировки может производиться на основании химического состава материала, который сначала обследуется с помощью лазера, в сочетании с автоматической сортировочной системой. Различные материалы могут быть распознаны при обследовании лазером или рентгеновской установкой. Для отделения выбранного материала из потока используют воздушное сопло, создающее импульс в нужный момент, после того как материал сходит с конвейера по падающей кривой.

Магнитные сепараторы

Черные металлы удаляются из алюминиевого лома и отходов с помощью барабанного магнитного сепаратора или магнитного сепаратора, размещенного над конвейером. Магнитный барабан располагают в верхней точке изгиба ленточного конвейера. Таким образом, материал проходит через магнитное поле, действие которого простирается ниже верхней части ленточного конвейера. Немагнитный материал движется по баллистической кривой спада с нормальной гравитацией и может быть таким образом передан на ленту другого конвейера. Магнитный материал переносится вокруг отклоняющего ролика и падает, когда заканчивается действие магнитного поля. Куски железа складываются затем в контейнеры или передаются на ленточные конвейеры, отводящие его в отдельный контейнер.

Вторая система применяется для удаления более крупных фрагментов железа. Это надконвейерный магнитный сепаратор. Он состоит из большого линейного магнита в комбинации с ленточным конвейером. Лента этого конвейера снабжена поперечными перегородками для транспортировки материала в нужном направлении при прохождении магнитного поля. Железные фрагменты притягиваются к магниту и с помощью перегородок направляются в сторону, где попадают в контейнеры или на конвейер.

Нержавеющая сталь обычно не притягивается или притягивается только очень мощным магнитом. С целью удаления фракций нержавеющей стали устанавливаются барабанные сепараторы со сверхмощным полем. Кроме сильных магнитных полей, принцип их действия схож с действием обычного магнитного сепаратора.

Разделение вихревыми токами (электродинамическая сепарация)

Устройство для разделения вихревыми токами состоит из ленточного конвейера с многополюсным магнитным ротором, размещенным в отклоняющем барабане в выходной части ленточного конвейера. При вращении многополюсной магнитной системы в металлических частицах индуцируются вихревые токи, которые, в свою очередь, создают магнитное поле с противоположным роторной магнитной системе направлением.

В результате этого металлические частицы будут выброшены и таким образом отделены от немагнитного материала, на который этот эффект не действует, и последний покидает конвейер по обычной баллистической кривой. Выброшенные металлические частицы выделяются из потока материала с помощью перегородки и отправляются на отдельный конвейер. Из-за различных физических свойств металлические частицы из разных немагнитных металлов выбрасываются с разной интенсивностью и за счет этого могут быть отделены друг от друга. Но различия в их магнитных полях не так велики, чтобы позволить точную сортировку. Тем не менее таким методом можно значительно снизить содержание прочих цветных металлов в дробленом алюминиевом ломе. Так как конструкция сепаратора вихревыми токами представляет собой ленточный конвейер, то он может быть установлен, например, как выходной конвейер под сортировочным барабаном. В этом случае поток материала уже разделен на различные фракции в более тонких слоях материала на ленте, что повышает эффективность сортировки.

Разделение воздушным потоком (аэродинамическая сепарация)

Действие воздушного сепаратора основано на различии в удельной массе материалов. Этот метод особенно эффективен, если различия значительны и поверхности оказывают хорошее сопротивление воздушному потоку. Скорость воздушного потока должна быть подобрана таким образом, чтобы тяга была достаточной для легких частиц, но позволяла частицам алюминия вступать в противоток струе воздуха. Каждый материал обладает определенной скоростью осаждения, которая зависит от формы и силы притяжения отдельных частиц. Только те частицы, скорость осаждения которых ниже скорости движения воздуха, уносятся этим потоком. Этот факт важен также для пневматической транспортировки материала и для удаления пыли. Частицы, имеющие скорость осаждения ниже скорости воздушного потока, поднимаются вверх. Это обычно обрывки бумаги, пластика и пыль. Таким образом, эти фракции отделяются от частиц с более высокой скоростью осаждения, то есть частиц металла. Мелкие частицы пластика, бумага и пыль могут быть отделены не только в вертикальном реакторе, но и в горизонтальном вращающемся барабане. Этот метод обычно используется с целью пылеудаления во вращающихся печах, сушилках или устройствах для удаления покрытия. При вращении материала в барабане внутренние слои обдуваются воздухом, и мелкие частицы уносятся. По этой причине, особенно в шредерах для измельчения лома, пылеудаляющий барабан встроен в систему разгрузочного конвейера. Более крупные частицы, унесенные воздухом, собираются в циклонном пылеуловителе, а частично очищенный воздух отправляется в пылеуловительную камеру с рукавными матерчатыми фильтрами.

Циклонный сепаратор

Принцип действия циклонного сепаратора основан на инерционных свойствах различных материалов. Более тяжелые частицы отлетают к внешней стенке циклонного сепаратора и вдоль нее падают на дно, за счет чего отделяются от основного потока воздуха. Циклонные сепараторы эффективно применяются для отделения более крупных фракций в запыленном потоке отходящих газов.

Сепарация в тяжелой суспензии (в тяжелых средах)

Процесс сепарации в тяжелой суспензии осуществляется с помощью жидкости, плотность которой находится между значениями плотностей компонентов, подлежащих разделению. Частицы с большей плотностью опустятся на дно, а частицы с меньшей плотностью будут плавать на поверхности. Эта система позволяет отделить неметаллические компоненты, тяжелые металлы и магниевые сплавы от алюминия. Разделение различных алюминиевых сплавов теоретически возможно, но слишком трудноосуществимо на практике из-за очень незначительной разницы в плотности. Разность плотностей разделяемых фракций является ключевым фактором качественной сепарации.

Воздух, попавший в металл, что может случиться в процессе измельчения, будет оказывать негативное воздействие на качество сепарации. В качестве агента обычно используется суспензия ферросилиция. Так как плотность этого вещества достаточно высока (6,7 кг/дм ³), можно достигнуть максимальной концентрации суспензии в 30-35 % сухого вещества. Другим преимуществом является то, что его можно удалить из суспензии с помощью разделительного магнитного барабана.

Обычный сепарационный блок состоит из вращающегося барабана, поддерживаемого роликами и опорным кольцом, с входным и выходным отверстиями вдоль его оси. Барабан наполняется суспензией до того уровня, при котором определенное количество суспензии с алюминием на ее поверхности может вылиться из центральной части. Тяжелые металлы опустятся на дно, и оттуда они будут подняты продольными пластинами и выброшены в желоб или на конвейер над уровнем жидкости. Они выгружаются из системы через желоб и собираются в контейнеры или на ленточный конвейер. Алюминий вместе с суспензией, на поверхности которой он плавает, попадает на сортировочное сито. Алюминий остается на сите, а суспензия стекает в коллектор. Важно удалить весь ферросилиций с поверхности алюминия, так как при плавлении нежелательно присутствие дополнительных количеств железа, содержащихся в этом материале.

На первой стадии, до загрузки материала в барабан с суспензией, неметаллические компоненты могут быть удалены в баке-отстойнике. Плотность раствора подбирается таким образом, чтобы все неметаллические материалы плавали на поверхности и их можно бы было удалить. Пройдя сито для удаления жидкости, материал попадает в накопитель вместе с отходами из установки для измельчения. Удаления ферросилиция обычно не требуется, так как плотность раствора низкая, а ферросилиций не вредит окружающей среде. Однако, если это необходимо и экономически оправдано, может быть установлен магнитный барабан. Металлический материал собирается на дне бака-отстойника. Удаление этого материала можно осуществить при помощи так называемой гребенки уловителя, шнекового конвейера или ленточного конвейера. Предпочтение отдается шнековому конвейеру или уловителю, так как их конструкция проще и легче в эксплуатации. После отделения неметаллических примесей металл из бака-отстойника может подаваться по любому конвейеру прямо в разделительный барабан.

8.2.1.3 Технологические линии для механического обогащения

Некоторые материалы требуют механической обработки для увеличения содержания алюминия до проведения металлургического процесса. Это сравнимо с процессом обогащения минералов, которые обычно тоже подвергаются предварительной обработке для повышения содержания в них ценных веществ. Примером может служить процесс обогащения алюминиевой руды, из которой впоследствии получают металлический алюминий и который, например, в случае с бокситом, довольно сложен. Процессы обогащения лома не так сложны, но эффективны и в целом экономически выгодны. Это в основном относится к обогащению шлака. Этот материал обычно содержит большое количество оксидов и флюса, смешанного с вторичным алюминиевым сплавом в виде так называемых корольков разного размера. Часто шлак снимается и обрабатывается очень некачественно, содержащийся в нем алюминий продолжает интенсивно окисляться после снятия с поверхности ванны металла уже в шлаковницах. И когда материал в конце концов попадает к плавильной установке, в нем остается уже незначительный процент металлического алюминия. Поэтому мы более подробно остановимся на процессе обогащения этого ценного сырья.

Материал, содержащий большое количество органических включений, иногда уменьшает эффективность плавки. С целью повышения рентабельности процесса обработки этого материала настоятельно рекомендуется удалить нежелательные примеси. Это относится и к алюминию с покрытием, в основном речь идет об использованной таре из-под напитков, на которую нанесены слои пластика и краски. Если обрабатывать достаточное количество такого вида лома, то удаление покрытия становится целесообразным. Технологическая линия для этого схожа с линией для удаления масла с металлической стружки, являющейся отходами станочных работ.

8.2.1.4 Технологическая линия для переработки лома

Фронтальный погрузчик с захватывающим приспособлением доставляет лом со склада, и он помещается на фартучный конвейер для загрузки в шредер. На рисунке 8.3 показана конструкция установки для переработки лома. Здесь материал дробится на маленькие кусочки разного размера, в соответствии со свойствами материала. Пыль и мелкие неметаллические компоненты уносятся воздушным потоком, создаваемым пылеудаляющим вентилятором. Часть более крупных частиц будет отделена циклонным пылеуловителем, расположенным перед блоком пылеуловителя тонкой очистки. Это может быть воздухоочиститель мокрого или сухого типа. Так как лом, подаваемый в шредер, может быть мокрым или содержать некоторое количество масла, установка воздухоочистителя мокрого типа предпочтительна во всех случаях. Материал, измельченный установкой, выгружается на ленточный конвейер, установленный под ней. Магнитный сепаратор встроен в отклоняющий барабан ленточного конвейера. Он удаляет частицы железа из массы измельченного материала и направляет их на разгрузочный конвейер. Крупные куски железа удаляются надконвейерным магнитным сепаратором и складываются в контейнер.

Теперь измельченный материал не содержит железа и может быть отсортирован по различным фракциям в сортировочном барабане. Это необходимо, только если разным заказчикам требуется определенный вид фракций. Для прямой переработки сортировка не требуется, поэтому все фракции могут быть отправлены во вращающийся барабан. Иногда лом содержит много неметаллических компонентов. Разные фракции из сортировочного барабана могут быть отправлены в устройство для сепарации вихревыми токами. В результате будет получен чистый измельченный лом, который может быть переработан без проблем.

Если присутствуют включения не только железа, но и тяжелых металлов, таких как медь, свинец и цинк то необходимо включить дополнительные этапы обработки. Но это делается до сортировки лома на различные фракции. На рисунке 8.2 показана типичная технологическая линия по переработке лома.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вместо слов "рисунке 8.2" следует читать "рисунке 8.3"

Рисунок 8.3 - Технологическая схема процесса переработки лома:

раздаточная печь: 1 - шредер; 2 - магнитный сепаратор; 3 - сито; 4 - барабанный сепаратор; 5 - сепаратор вихревых токов; 6 - сито; 7 - накопительный бункер

8.2.1.5 Технологическая линия для обработки шлака

Шлак - это смесь алюминия, оксида алюминия и флюса. Она образуется в отражательной печи и удаляется из печи при съеме шлака. При этом соскребается и часть алюминия. Содержание металла в шлаке может достигать 70 %. Часть алюминия, содержащегося в шлаке, может окислиться, как только войдет в контакт с атмосферным воздухом, если шлак содержит мало флюса и не применяются установки принудительного охлаждения шлака. Так как это экзотермический процесс, то почти весь металл, содержащийся в центре шлаковницы, может превратиться в оксид алюминия, что приведет к значительным потерям. Существуют разные способы подавить это окисление. Самый простой - разбросать шлак по рабочей площадке. Он будет быстро остывать до температуры ниже температуры воспламенения, и окисление останавливается. Если охлаждение проведено оперативно, то отпадает необходимость в дальнейшей обработке, так как содержание алюминия в материале может превышать 60-70 %.

Хорошим, простым решением задачи сокращения потерь металла после удаления шлака из печи является использование гидравлического пресса. Шлак помещается в контейнер с отверстиями на дне. Гидравлический пресс-штемпель выдавливает металл из шлака, и алюминий попадает в изложницу, расположенную под контейнером пресса. Оставшийся шлак уплотняется в большой блок с содержанием металла менее 40 %. Этот блок может быть отправлен прямо во вращающуюся барабанную печь. Некоторые производители таких прессов предусматривают принудительное охлаждение пресс-штемпеля путем продувки воздуха через каналы в нем. При использовании таких прессов происходит не только выдавливание части алюминия из шлака, но одновременно и охлаждение шлака, за счет чего экзотермическая реакция окисления алюминия в нем прекращается. Итак, методами обработки шлака, снятого с поверхности ванны, являются выдавливание жидкого металла и сокращение, таким образом, металлического содержимого в нем и/или его быстрое охлаждение для остановки экзотермической реакции окисления алюминия. При этом в процессе охлаждения происходит и предварительная сортировка.

Но это практикуется в очень редких случаях, поэтому шлак, поставляемый на заводы, которые специализируются на производстве вторичного алюминия из шлаков, зачастую имеет очень низкое содержание металла. Большая часть металла, содержащегося в шлаке и съемах, окисляется еще у поставщика в течение нескольких часов после удаления шлака из печи. Такое сырье в значительной мере теряет свою ценность для переработки. Однако даже этот шлак остается значимым сырьем. Содержание в нем алюминия - минимум 20-30 %, в среднем же оно составляет 40-50 %. Если перерабатывающее предприятие уделит больше внимания процессу подготовки шлака, то можно получить хорошую экономическую выгоду, обогатив его до содержания алюминия выше 60-70 %.

Для извлечения металла во вращающейся барабанной печи вся садка, включая соль, должна быть доведена до температуры плавления. Это значит, что оксидное содержимое шлака разогреется так же, как и металл. Так как условия передачи тепла во вращающейся печи для обоих материалов более или менее идентичны, разогревание неметаллического материала приведет к повышенному потреблению энергии. Потребление энергии в процессе обработки в современной вращающейся барабанной печи составляет приблизительно 600 кВтч/т завалки. Это относится к алюминию и шлаку. При условии, что 1 т шлака содержит 80 % алюминия, расход энергии в перерасчете на содержание алюминия составит 600 разделить на 0,8, то есть приблизительно 740 кВтч/т. Если содержание алюминия в шлаке только 40 %, энергопотребление на тонну металлического алюминия составит уже 1500 кВтч. Это значительная разница, поэтому обогащение алюминиевого шлака до плавления представляется чрезвычайно экономически выгодной задачей, особенно для шлака с низким содержанием металла.

Для подготовки его к процессу плавки необходимо механическое обогащение. На рисунке 8.4 приводится технологическая схема процесса обработки шлака.

Рисунок 8.4 - Технологическая схема процесса обработки шлака:

1-подача; 2 - питающий конвейер; 3 - молотковая дробилка; 4 - вибрационное сито; 5 - шаровая мельница; 6 - накопительный бункер для продукта - 50 мм; 7 - ковшовый элеватор; 8 - накопительный бункер для продукта + 50 мм

Для переработки шлаков с содержанием металлического алюминия менее 40-50 % используются обогатительные установки. В подобных установках шлак подвергается многократному дроблению на роторных или щековых дробилках, измельчению на шаровых или стержневых мельницах, сепарации на барабанном грохоте или виброситах и магнитной сепарации.

Места пересыпок материалов, дробилки и мельницы оборудуются принудительными отсосами с последующей подачей аспирационного воздуха на фильтровальные установки. В результате уже на первой стадии дробления шлака за счет удаления пылевидной фракции его оксидно-флюсовой составляющей начинается обогащение материала.

В результате переработки бедных шлаков на таких установках получается алюминиевый концентрат с содержанием алюминия от 60 до 80 %, пригодный для плавки в роторных печах.

8.2.2 Технологическая линия для обработки стружки

Значительная часть вторичного алюминиевого сырья представляет собой стружку, технологическая схема первичной обработки которой представлена на рисунке 8.5.

Рисунок 8.5 - Технологическая схема первичной обработки стружки алюминия и алюминиевых сплавов

Согласно этой схеме, сыпучая и витая стружки складируются раздельно. Грохочение витой стружки осуществляется с целью отделения кусков крупностью более 100 мм, которые поступают на видовую сортировку сыпучей стружки класса 100 мм. Прошедшая грохочение витая стружка подвергается дроблению, а не дробимые предметы выбрасываются из дробилки и поступают на сортировку. Если нет возможности произвести дробление витой стружки, ее подвергают ручной сортировке, которая заключается в отделении лома, кусковых отходов, посторонних предметов и пр. После сортировки витую стружку брикетируют и направляют на переплавку. Стружка прессуется в брикеты различного размера (в зависимости от имеющегося брикет-пресса). При этом механические примеси черных металлов и смазочно-охлаждающие жидкости не удаляются. В результате брикеты получаются довольно сомнительного качества и используются преимущественно для производства раскислителей. В связи с этим предпочтительным способом переработки витой стружки является ее дробление и дальнейшая подготовка к плавке по схеме, применяемой для сыпучей стружки.

Прошедшая грохочение сыпучая стружка, а также стружка, полученная в результате дробления витой фракции, поступает на сушку для удаления влаги и масел (СОЖ). Сухая обезжиренная стружка направляется на грохочение с целью отсева землистой фракции - 3...+ 0 мм, которая затем отправляется заводам черной металлургии по специальным техническим условиям. Очищенная от мелкой фракции стружка поступает на магнитную сепарацию, в процессе которой из нее выделяется магнитная фракция, перерабатываемая по специальным схемам. Сухая сыпучая стружка, из которой удалены мелкая фракция (- 3 мм) и механические примеси черных металлов, идет на переплавку или брикетирование.

Выбор технологической схемы в значительной мере зависит от тех видов сырья, которые перерабатываются на данном заводе. С целью сокращения капитальных и эксплуатационных затрат ряд переделов на заводах используется для переработки всех видов сырья (сортировка, взвешивание, пиротехнический и радиационный контроль и т.д.). Но, несмотря на это, технологические схемы на таких заводах достаточно сложны, поскольку используемое оборудование зависит от вида перерабатываемого лома и отходов. Отсюда понятно, что в каждом конкретном случае технологическая схема завода создается с учетом конкретных условий, и, как правило, эти схемы постоянно меняются под влиянием рынка.

Стружку, высечку, обрезь труб, проволоки, профилей, бракованные полуфабрикаты, фольгу, лист, шлаки и съемы называют отходами. Из всей массы отходов, поступающей на переработку, максимальную долю составляет стружка (60 %). Стружка содержит различные примеси: масло, влагу, землистый засор, оксид алюминия, другие металлы. Высокие сорта такого вида сырья содержат алюминия до 95 %; в худших сортах - 50...75 %.

В качестве примера на рисунке 8.6 приведена технологическая схема подготовки и плавки стружки. Данная схема предусматривает переработку стружки, ее сушку и выплавку алюминиевого сплава.

В зависимости от химического состава, термообработки заготовки, вида режущего инструмента форма и размеры отдельных частиц стружки могут быть различными. С точки зрения подготовки к плавке стружка делится на сыпучую и витую, смешанную и однородную. При обработке заготовок алюминиевая стружка загрязняется железом вследствие истирания режущего инструмента и обработки железоалюминиевых заготовок, а также случайными частицами железа из-за небрежности персонала. Поэтому содержание механических примесей черных металлов в алюминиевой стружке может достигать 30 %. Кроме того, стружка загрязняется эмульсией и маслом, которые используются при обработке сплавов на станках в виде смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). При хранении ее на открытом воздухе содержание масла и влаги может достигать 20...30 %. Чтобы получить высокие технико-экономические показатели при переработке стружки, ее необходимо очистить от влаги, масла и других механических примесей, а для полноты извлечения железа и увеличения удельной насыпной массы витую стружку подвергают дроблению. Учитывая большой удельный вес стружки в общем балансе лома и отходов, для ее подготовки к плавке применяют специализированные линии.

Первичной операцией обработки витой стружки является ее дробление. Последующие операции обработки дробленой стружки проводят на линиях обезжиривания и сушки, которые делятся на линии гидрохимического и термического обезжиривания, а также центрифугирования.

Рисунок 8.6 - Технологическая схема подготовки и плавки стружки

Линии термического обезжиривания и сушки стружки независимо от используемого основного и вспомогательного оборудования включают следующие технологические узлы:

- приёма сыпучей и дробленой стружки;

- предварительного грохочения сырья для отделения негабаритных включений и посторонних предметов перед сушкой;

- обезжиривания и сушки стружки;

- контрольного грохочения и отсева окалины и других отходов;

- магнитной сепарации, предназначенный для удаления из стружки ферромагнитных включений.

Вне зависимости от конструкции и компоновки оборудования линия сушки должна удовлетворять следующим требованиям: влажность стружки после сушки должна быть не более 1 %, содержание: СОЖ - до 0,4 %, железа - не более 0,2 %, пыли и землистого засора - не более 1 %.

Влага и масло удаляются нагревом стружки при температуре 400...450 °С. Стружка имеет развитую поверхность, поэтому при нагреве теряется часть металла вследствие окисления. Разработан способ безокислительной сушки стружки. Основной узел установки - вращающийся барабан, обогреваемый извне (рисунок 8.7). Вследствие вращения барабана и уклона стружка перемещается со стороны загрузки к противоположному торцу. Вода при нагреве испаряется, масло в основном сгорает, частично испаряется. Воздух поступает в барабан с разгрузочного конца в количестве, недостаточном для полного сгорания масла с целью создания восстановительной атмосферы в зоне косвенного нагрева.

Рисунок 8.7 - Установка безокислительной сушки стружки:

1 - секция сушки и охлаждения; 2 - зубчатый венец; 3 - разгрузочная камера; 4 - контактные кольца; 5 - разгрузочная течка; 6, 9 - опорные ролики; 7 - упорный ролик; 8 - привод; 10 - камера косвенного нагрева; 11 - форсунка косвенного нагрева; 12, 18 - вентилятор первичного воздуха; 13 - вибрационный питатель; 14 - тарельчатый питатель, 15 - бункер; 16 - индикаторы уровня; 17 - вентилятор вспомогательной горелки,19 - форсунка; 20 - вентилятор первичного воздуха; 21 - камера дожигания; 22 - дымовая труба; 23 - газоотход; 24 - термопары; 25 - секция первой зоны сушки; 26 - камера нагрева

Безокислительная установка обжига стружки снабжена холодильником и камерой дожигания и представляет собой горизонтальный барабан, состоящий из трех секций: первая обогревается снаружи газами, образующимися в камере от сжигания топлива, вторая имеет тепловую изоляцию в виде шамотной футеровки, и третья секция не имеет футеровки. Камера дожигания выполнена в виде цилиндра, футерованного шамотным кирпичом, и сообщается с первой зоной барабана газоходом. В ней установлена форсунка для сжигания топлива с регулируемой подачей вторичного воздуха. Сушилка и камера дожигания работают на естественной тяге от дымовой трубы, или на принудительной тяге, создаваемой дымососом.

Мокрая стружка подается в сушилку питателем, над которым установлена система орошения водой и маслом. В установке стружка подвергается трем стадиям обработки: косвенный нагрев с дистилляцией масла и испарением влаги; непосредственный нагрев, в том числе за счет сгорающих паров масла; охлаждение стружки.

Зона косвенного нагрева обогревается внешней топкой, свод которой имеет прорези для распределения тепла по длине барабана. Тепло от сжигания топлива нагревает стружку в первой зоне барабана в восстановительной атмосфере. Топочное устройство обеспечивает нагрев барабана до температуры, достаточной для испарения влаги и масла из стружки, не допуская ее перегрева.

Вторая зона не имеет внешнего обогрева, но тепла, накопленного стружкой, достаточно для окончания процесса сушки.

Третья зона барабана - холодильник - продувается воздухом, поступающим с разгрузочного конца барабана навстречу движению стружки. После охлаждения стружки воздух поступает во вторую зону, из которой он уносит в первую зону пары масел и воды, где пары масла частично сгорают в условиях недостаточного количества кислорода. За счет этого в первой зоне образуется восстановительная атмосфера, препятствующая окислению алюминия. Остаток продуктов горения и температурного разложения масла полностью сгорает в камере дожигания. Для регулирования количества воздуха, поступающего в сушильный барабан, на разгрузочном оголовке барабана имеется регулирующее устройство (жалюзи).

Температура в первой зоне - 400-450 °С, во второй - 250 °С, в камере дожигания - 730-750 °С. Эти установки в зависимости от их размеров позволяют утилизировать тепло в количестве до (0,4-5,0) 10 ³ кДж/ч.

Вместо сушки стружки для удаления СОЖ может применяться центрифугирование стружки.

Этот способ подготовки стружки к плавке является максимально экологически безопасным, так как в процессе центрифугирования не используется топливо, не требуется пылеудаления и газоочистного оборудования из-за отсутствия загрязняющих выбросов в атмосферу.

Линия центрифугирования состоит из следующих компонентов:

1. Подающий транспортер с манипулятором загрузки.

2. Барабанный грохот для разделения витой и сыпучей стружки.

3. Центрифуга, в которую загружается сыпучая стружка. В центрифуге отделяются вода, масло и водная эмульсия. Полученная эмульсия возвращается на предприятия, с которых поступает стружка, и после фильтрации повторно используется при механообработке заготовок.

4. Магнитный сепаратор для отделения механической примеси черных металлов.

Полученная сухая отмагниченная стружка подается на плавильные агрегаты.

Вьюнообразная стружка с барабанного грохота поступает на дробилку, и полученная дробленая стружка подается на линию центрифугирования.

8.2.2.1 Извлечение металла при плавке стружки

Промышленные отходы, особенно стружка, содержат большое количество оксидов, влаги, масла и других неметаллических примесей, поэтому сплавы, приготовленные из вторичного сырья, по сравнению со сплавами на основе первичного алюминия несколько в большей степени загрязнены оксидами, растворенными газами.

По мере совершенствования методов переработки промышленных отходов и лома степень загрязненности получаемых сплавов металлическими и неметаллическими примесями снижается, и по качеству они все более приближаются к сплавам из первичного сырья.

При плавке алюминия извлечение металла осложняется легкой окисляемостью и необратимостью реакции окисления алюминия. Окисление алюминия прямо пропорционально температуре и времени, причем роль последнего преобладающая. Поэтому режим плавки будет оптимальным при соблюдении принципа - плавить горячо и быстро. При плавке отходов металл окисляется больше всего в период, предшествующий расплавлению, когда температура высокая, а поверхность большая. Расплавленный металл может иметь более высокую температуру, но образование жидкой ванны резко уменьшает его поверхность, которая к тому же прикрыта флюсом.

Плавку стружки ведут в отражательной или роторной печи.

8.2.2.2 Удаление покрытия

Окрашенный материал или материал, имеющий какое-либо другое покрытие, направляется на обработку в установку для удаления покрытия. Этот этап технологического процесса следует за измельчением лома и удалением железа, вихретоковой сепарацией, или сепарацией в тяжелой суспензии, либо полностью проходит стадии дробления и сортировки, как в случае с токарной и металлической стружкой. В собранной таре из-под напитков обычно содержится определенное количество стальных банок с алюминиевой крышкой. Так что они являются типичным материалом на этапе удаления покрытия после измельчения и сепарации железа. Материал с окрашенной поверхностью подвергается такой же операции. Иногда этот материал представляет собой композит из пластмассового покрытия и алюминиевых листов. Поэтому прежде чем алюминий подвергнется операции по удалению покрытия, необходимо удалить пластмассу при помощи вихретокового сепаратора.

Термическое удаление покрытия происходит при температуре около 400 °С. Температура крайне важна с точки зрения образования оксида алюминия (Аl ₂O ₃), особенно по отношению к сплавам, легированным магнием, как в случае с тарой из-под напитков. Это может привести к потере металла, если в среде для передачи тепла присутствует свободный кислород. Поэтому для удаления покрытий желательно использовать пиролиз с инертным газом или продуктами сгорания без свободного кислорода. Для этого процесса существуют некоторые ограничения. В зависимости от природы органического материала, в процессе удаления покрытия получаются три продукта: газ, смола и сажа (углерод в чистом виде). Количественное соотношение различных продуктов зависит от времени разогрева и температуры. Как правило, при более высокой температуре удаления покрытия количество смолы и сажи уменьшается, а содержание газа увеличивается. На начальном этапе этого процесса смола и газ улетучиваются. Поскольку для пиролизного процесса кислород не требуется, этот процесс очень удобен. Оставшаяся сажа прилипает к алюминию, и единственный способ удалить ее - это окисление, а также вспомогательное механическое измельчение частиц. Чтобы избежать окисления алюминия, то есть потерь металла, очень важно тщательно контролировать содержание кислорода.

Обычно содержание органических веществ в ломе, который проходит через этап удаления покрытия, не превышает 5-10 %. Однако это относится не ко всем материалам. Содержание органических веществ в ламинированной упаковке может достигать 50 %. Ввиду особенностей такого продукта механическое обогащение неэффективно. Для такого типа материала была разработана и успешно применяется установка для удаления покрытия с использованием псевдожидкого слоя. Она представляет собой перфорированный цилиндр, вращающийся в псевдожидком слое с солью или песком в качестве наполнителя. Лопасти шнекового типа внутри цилиндра перемещают материал через весь цилиндр. Тепло, поступающее в псевдожидкий слой, испаряет органические вещества, находящиеся на поверхности алюминия. Контроль за содержанием кислорода в сочетании с измельчающим действием псевдожидкого слоя позволяют удалить оставшуюся сажу. Движение газового потока аналогично движению газов в роторной печи.

Существуют и другие операции, такие как переработка шлака, которые тоже могут применяться в процессе предварительной обработки лома. Это во многом зависит от имеющегося сырьевого материала. Это также оказывает заметное влияние на организацию всего процесса подготовки и обработки лома. Не весь лом проходит через все этапы технологического процесса. Механическая подготовка может быть завершена после любого этапа технологического процесса, и полученный материал отправляется в специально отведенные хранилища. Может также потребоваться использовать промежуточный склад для частично переработанного лома, чтобы обеспечить максимальное использование отдельных технологических установок. Для этого необходим профессиональный осмотр поступающего материала, а также тщательно спланированная организация производства. Для оказания руководству предприятия содействия в решении этой задачи должны разрабатываться компьютерные программы.

8.2.3 Производство вторичного алюминия

Классическое понимание процесса рециклинга алюминия непременно связано с термообработкой. Три стадии технологического процесса превращают алюминиевый лом в высококачественные алюминиевые сплавы: переплавка, рафинирование и отливка.

На первом этапе обработки печь должна обеспечивать эффективное плавление металла, а также отделение его от нежелательных компонентов, прикрепленных к алюминию, которые не были удалены во время механической обработки лома. Постоянно растущие цены на энергию вместе с ужесточением требований, связанных с защитой окружающей среды, являются движущей силой для разработки современных эффективных технологий плавления. Ключевым оборудованием для металлургической обработки алюминиевого лома являются печи. Загрязнения и случайные примеси можно удалить, как только металл достигает жидкого состояния. Теперь можно добавлять любой легирующий элемент и смешивать его с исходной шихтой. Чтобы получить требуемый сплав с определенными допусками химического состава, различные виды лома смешиваются с легирующими компонентами. Эти цели не могут быть достигнуты с применением "универсальной технологии печи". Разные типы лома представляют конкретные трудности процесса плавки. Например, в отличие от мелких частиц, для пакетированного материала требуется минимальная защита от окисления металла, а лом с высоким содержанием органических веществ необходимо подвергать обработке, отличной от обработки материала, например, шлака, который характеризуется повышенным содержанием оксидов с самого начала. Для получения наиболее эффективной технологии, особенно с экономической и экологической точек зрения, за прошедшее время были разработаны, испытаны и, наконец, применены различные процессы. Поэтому выбор оборудования для завода должен пройти тщательное исследование, при этом необходимо учитывать характеристики сырья, которое предполагается использовать, ассортимент выпускаемой продукции, наличие ресурсов, потребление энергии и тип топлива (жидкое топливо или газ), инфраструктуру завода и т.д. При выборе технологии также важен планируемый объем производства.

Все вышеперечисленные факторы являются основными для определения технологии плавления для каждого отдельно взятого завода.

Кроме того, из-за растущих цен на сырье для экономически успешного процесса важно не допустить большой потери ценного материала во время обработки в печи.

Печами, используемыми на первом этапе производства, являются "плавильные печи".

На втором этапе металлургической обработки, а именно на этапе рафинирования, определяются окончательные характеристики сплава. Происходит загрузка и перемешивание необходимых корректирующих легирующих элементов с жидким металлом в печи. Поэтому печь на данном этапе производства называется "смесительной" или "миксером". Помимо этого, печь должна обеспечивать увеличение температуры металла, его охлаждение до определенной температуры или поддержание температуры металла, необходимой для выполнения его рафинирования. В этом случае агрегат становится "печью выдержки". Существуют и другие характеристики, которые необходимо учитывать на втором этапе производства. На перерабатывающих заводах принято на этапе рафинирования вводить в печь бракованный материал, изготовленный ранее, большие фрагменты лома или приобретенные чушки. Поскольку данный материал необходимо расплавить, то для миксера или печи выдержки требуется определенная избыточная плавильная мощность.

Одним из показателей качества продукции является количество газообразных или механических загрязнений в расплаве. Поэтому печь должна допускать обработку с использованием химических веществ или газа для снижения содержания растворенного водорода, а также нежелательных примесей, например, натрия, кальция или калия и т.п., а в некоторых случаях также и магния.

Отечественная классификация печей для переработки лома и отходов алюминия представлена ниже.

Переработка лома и отходов алюминия производится в печах различных конструкций (таблица 8.2).

Таблица 8.2 - Применение печей в алюминиевой промышленности

Вид печи	Завод - производитель литейных сплавов и раскислителей	Завод - производитель деформируемых полуфабрикатов	Литейный завод	Электролизный завод
Отражательная печь стационарная	4	3	3	0
Печь с вертикальной загрузкой	2	1	0	0
Круглая печь	1	0	0	0
Печь с открытым боковым металлоприемником	0	0	2	0
Двухкамерная печь	3	1	1	0
Печь с сухим подом	0	3	0	0
Печь для скоростного плавления	0	0	3	0
Шахтная печь	0	0	3	0
Отражательная печь наклоняемая	4	3	3	4
Бочкообразная печь	2	3	0	0
Овальная печь	2	3	0	0
Тигельная печь	0	0	3	0
Тигельная индукционная печь	2	1	3	1
Индукционная канальная печь	2	0	1	2
Роторная наклоняемая печь	4	4	1	0
Роторная барабанная печь с фиксированной осью вращения	4	3	0	0
Примечание: О - не используется, 1 - используется в особых случаях, 2 - часто используется, 3 - стандартная технология, 4 - основная технология.

С увеличением мощности предприятия и количества современных печных технологий также увеличивается емкость ванны, т.е. количество жидкого металла, которое печь может вместить. Для особого назначения используются небольшие печи емкостью всего лишь 5 или 10 тонн. Это относится к плавильным и раздаточным печам. Небольшой размер печи обуславливает необходимость выполнения множества сервисных операций для обеспечения ее производительности, и это время считается потерянным для производства. В настоящее время емкость наиболее подходящей печи для производства вторичного алюминия может превышать 25 тонн. Данная емкость ванны оптимально подходит для эксплуатации и производительности. Поскольку многие заказчики требуют минимальную партию в 20 тонн, то маркетинг может также являться фактором, обуславливающим выбор большей емкости печи. Другим фактором, который необходимо учитывать, является удобство обслуживания. Шлак, образуемый во время обработки в печи (будь то в плавильной, смесительной или раздаточной), может скапливаться на стенках или на подине печи, а иногда и на своде. Даже при использовании наиболее оптимальной конструкции печи данное явление предотвратить невозможно. Увеличение оксидного слоя уменьшает емкость печи. Поэтому слой шлака необходимо периодически удалять. Особенно это важно при смене сплавов. Следовательно, конструкция печи должна облегчать процесс удаления шлака.

Также важным фактором для конструкции печи является тип потребляемой энергии. Существуют различные технологии, отвечающие данным требованиям. Обычно температура процесса лежит в пределах 700-830 °С. Наиболее чистый алюминий и его сплавы получаются в среде защитных газов (аргон, азот и гелий). Все существующие плавильные печи, используемые для переработки лома и отходов алюминия, по методу нагрева можно подразделить на две основные группы: топливные и электрические.

К первой группе относятся печи, обогреваемые газом или мазутом, ко второй - обогреваемые электроэнергией.

Плавильный агрегат выбирают на основе экономических расчетов с учетом конкретных условий производства, местонахождения предприятия, тарифов на топливо и электроэнергию. Практически лом и отходы алюминия и его сплавов можно плавить в любой печи, так как температура их плавления невысока. Однако вследствие специфики плавки вторичного сырья целесообразнее использовать тот тип печи, который позволяет переплавлять сырье с наименьшими потерями, высокой степенью извлечения и наименьшими материальными и энергетическими затратами.

Практический опыт по переработке вторичного алюминиевого сырья, накопленный в мировой практике, позволил определить основные тенденции в развитии и совершенствовании тепловых агрегатов и их условную классификацию.

Топливные печи в зависимости от вида рабочего пространства разделяются на тигельные и ванные. Последние, в свою очередь, могут быть стационарными, поворотными и вращающимися.

Электрические печи по способу превращения электрической энергии в тепловую делятся на печи сопротивления и индукционные.

Печи сопротивления по форме рабочего пространства подразделяются на тигельные и камерные, а индукционные печи в зависимости от наличия сердечника делятся на тигельные и канальные.

Температура плавления чистого алюминия равна 660,37 °С, а его сплавов - значительно ниже и для эвтектического силумина составляет только 562 °С. При сравнительно низкой температуре плавления алюминий обладает высокими значениями скрытой теплоты плавления (391,2 кДж/кг, или 93,3 ккал/кг) и теплоемкости как в твердом (1,033 кДж/(кг °С), или 0,247 ккал/кг °С), так и в жидком (1,63 кДж/(кг °С), или 0,390 ккал/(кг °С) - при температуре плавления) состоянии. Поэтому для плавки алюминия требуется большое количество тепла. Например, для нагрева алюминия до 700 °С необходимо вдвое больше тепла, чем для нагрева такого же количества меди до температуры 1100 °С, или немного более, чем для нагрева такого же количества стали до 1600 °С.

Рисунок 8.8 - Зависимость изменения энтальпии алюминия от температуры

Количество тепла, расходуемого на нагрев, плавление и перегрев расплавленного металла до заданной температуры, можно определить с помощью диаграммы (рисунок 8.8) как разность энтальпий в заданном диапазоне температур.

Процесс теплообмена в печи заключается в передаче тепла от источника энергии к металлу для его нагрева и плавления путем радиации, конвекции и теплопроводности. Как правило, эти три вида действуют совместно, но роль каждой составляющей существенно меняется в зависимости от конструкции печи (рисунок 8.9).

В отражательной пламенной печи (широко используемой для переплавки лома и отходов алюминия) шихта нагревается при лучеиспускании от раскаленных стен и свода печи, а также при непосредственном соприкосновении металла с печными газами (см. рисунок. 8.9а). Поэтому металл, загруженный на сухую подину, нагревается только снаружи, и, несмотря на высокую теплопроводность алюминия, шихта в печи прогревается крайне неравномерно. После образования на подине слоя жидкого металла (рисунок 8.9б) процесс плавления ускоряется и снизу за счет передачи тепла. Опыт работы отражательных печей, оборудованных устройствами для перемешивания расплава, показывает, что производительность плавки в таких печах возрастает на 10-30 % по сравнению с печами, не имеющими перемешивателей металла. Следует отметить, что высокая отражательная способность алюминия (он поглощает всего 10 % лучистой энергии, тогда как медь - 30, а железо - 42 %) делает малоэффективным радиационный нагрев при плавке сплавов в отражательных печах.

Жидкий металл нагревается через открытую поверхность, причем тепло от верхних слоев металла к нижним передается только благодаря теплопроводности металла, поскольку нагретые слои металла, имеющие меньшую плотность, не могут опуститься вниз, так что конвекционных потоков металла в ванне не образуется. Наличие на поверхности металла оксидной пленки или слоя флюса резко замедляет процесс плавки, вследствие чего происходят дополнительные потери металла за счет его окисления. Поэтому при плавке мелких отходов (стружка, мелкий шлак) практикуют их загрузку в ванну с предварительно наплавленным жидким металлом.

При плавке металла в тигельной печи условия нагрева металла значительно лучше, чем в отражательной, так как он нагревается через дно и стенки тигля. Скорость подведения тепла к металлу Н зависит от его поверхности S, отнесенной к его объему V:

Рисунок 8.9 - Плавка шихты в печах различного типа

Для тигельных печей оно составляет 2-3, а для пламенных - 1,5-3,0. Благоприятные условия нагрева в тигельных печах создаются при конвекционном движении металла, нагревающегося снизу и с боков.

Процесс плавления алюминиевых сплавов существенно ускоряется при погружении шихты в расплав, когда одновременно с прогревом шихты идет ее растворение в жидком металле.

Особенно хорошо плавится металл в индукционных электрических печах - за счет тепла, создаваемого наведенным электрическим током в самом металле, и за счет тепла жидкого перегретого металла. При этом жидкий металл хорошо перемешивается не только благодаря конвекции, но и вследствие взаимодействия магнитного поля с наведенным в металле током.

Если плавка ведется с применением флюсов, то на их нагрев и расплавление также расходуется большое количество тепла. Например, для нагрева и расплавления флюса, состоящего из равных частей хлористого калия и хлористого натрия, требуется столько же тепла, сколько нужно для расплавления равного им по массе количества алюминия.

Типичные технологические схемы рециклинга алюминия представлены ниже. На рисунке 8.10 представлены технологические схемы переплавки различных видов лома и отходов, используемые на заводах фирмы "Реметалл". Переработку кусковых отходов (8.10а) проводят в отражательной печи, из которой расплавленный металл поступает в миксер, а затем разливается в установки полунепрерывного литья, предварительно пройдя через фильтр. Переработку мелких фракций лома и отходов (8.10б) проводят в роторной и отражательной печах, причем из последней металл, пройдя через фильтровальную установку, попадает на разливку.

На рисунке 8.11 представлена технологическая схема разливки сплава в чушки. Металл, пройдя через фильтр, поступает на колесный дозатор, с помощью которого отмеряется определенная доза металла и заливается в изложницу литейного конвейера. Последняя треть конвейера охлаждается водяным туманом, а образующиеся пары отсасываются и выбрасываются в атмосферу.

Чушки, выпавшие из изложниц литейного конвейера, попадают на горизонтальный транспортер, проходят установку дополнительного охлаждения чушек и поступают на чушкоукладчик, а затем на устройство для взвешивания, пакетирования и увязки пакетов.

Технологическая схема разливки сплава в чушки, пакетирования, взвешивания и увязки пакетов применяется на многих заводах мира.

Выбор технологической схемы в значительной мере зависит от тех видов сырья, которые перерабатываются на данном заводе.

На некоторых отечественных предприятиях выпускаются сплавы разных вторичных цветных металлов (алюминий, латунь и бронза, цинковые сплавы и т.д.). С целью сокращения капитальных и эксплуатационных затрат ряд переделов на указанных заводах используется для переработки всех видов сырья (сортировка, взвешивание, пиротехнический и радиационный контроль и т.д.). Но, несмотря на это, технологические схемы на таких заводах достаточно сложны, поскольку используемое оборудование зависит от вида металла. Отсюда понятно, что в каждом конкретном случае технологическая схема завода создается с учетом конкретных условий, и, как правило, эти схемы постоянно меняются под влиянием рынка.

Рисунок 8.10 - Технологическая схема переплавки кусковых (а) и мелких (б) отходов лома и алюминия

Рисунок 8.11 - Технологическая схема разливки сплава в чушки

В качестве примера на рисунке 8.12 приведена упрощенная схема завода, которая предусматривает переработку литейного шлака, стружки и крупного лома и рассчитана на производство до 60 тыс. т вторичного алюминия в год.

После предварительной подготовки лом и отходы подвергаются переработке в плавильных агрегатах. Основные процессы в печи по своей природе можно отнести к теплофизическим, а сопутствующие - к физико-химическим. Металлургические процессы в плавильной печи, как правило, заключаются в переносе тепла и вещества.

По методу нагрева плавильные печи для переработки лома и отходов алюминия подразделяются на две основные группы:

1. Топливные, обогреваемые газом или мазутом (отражательные - однокамерные, многокамерные, шахтные):

- тигельные (поворотные и стационарные), используемые в лабораторных устройствах и в производствах с малым расходом металла;

- ванные (стационарные, поворотные и вращающиеся).

2. Электрические, обогреваемые электроэнергией (по способу превращения электрической энергии):

- печи сопротивления (тигельные и камерные - по форме пространства);

- индукционные печи (тигельные и канальные - в зависимости от наличия сердечника).

Рисунок 8.12 - Упрощенная технологическая схема производства вторичного алюминия

Основными показателями, характеризующими эффективность работы плавильных агрегатов, являются:

- степень извлечения металла в готовую продукцию и величина безвозвратных потерь его;

- удельный расход энергии на 1 т выплавляемого сплава;

- производительность;

- капитальные затраты на сооружение плавильного комплекса;

- возможность механизации и автоматизации плавки.

Для получения изделий с заданными свойствами повышают качество сплавов путем удаления из него вредных примесей в процессе рафинирования (металлов, неметаллических включений, газов).

Методы рафинирования:

- отстаивание, в процессе которого происходит удаление из алюминиевого расплава водорода и неметаллических включений;

- фильтрация - пропуск расплавленного металла через фильтры, при этом происходят очистка металла от неметаллических примесей и частично дегазация.

- флюсование и обработка постоянным током;

- вакуумирование и обработка ультразвуком;

- продувка газами;

- комбинированное рафинирование (комбинация нескольких способов рафинирования);

- удаление металлических примесей (воздействие химическими реагентами, разделение фаз кристаллизацией, вакуумная дистилляция, электролиз и комбинация этих методов);

- модифицирование сплавов (процесс изменения структуры литого сплава) под действием небольших количеств специально вводимых добавок (модификаторов).

Существует несколько разновидностей пламенных печей: традиционные подовые печи, тигельные и роторные печи. Роторные печи, в свою очередь, делятся на барабанные печи с фиксированной осью вращения и роторные наклоняемые печи. В основном пламенные печи используются в алюминиевой промышленности благодаря высоким показателям по извлечению металла и пониженным энергозатратам. Благодаря прямой тепловой эмиссии эффективность пламенных систем достаточно высока, а передача тепла продукту оптимальна. Затраты на топливо также намного ниже по сравнению с затратами на электроэнергию.

Электрические печи могут быть спроектированы как индукционные печи или печи сопротивления. Электрический нагрев кажется наиболее удобным способом нагрева, если стоимость данного вида энергии является приемлемой. Очевидно, это является предпосылкой для размещения завода по производству первичного алюминия в определенном районе. Но условия местоположения завода вторичной переработки алюминия могут быть совершенно иными. Отсутствие отходящих газов во время эксплуатации электрических печей обеспечивает минимальную потерю металла вследствие окисления. Кроме того, рядом с печью электрического нагрева отсутствуют какие-либо загрязнения от отходящего газа, если сырье хорошо подготовлено и не содержит органических примесей.

Тигельные индукционные печи можно загружать очищенным ломом, чушками или даже жидким алюминием. К сожалению, номинальная загрузка составляет 8-10 тонн, которая не удовлетворяет требованиям современного завода по производству вторичного алюминия. Для данной емкости требуется печь большого диаметра, обслуживание которой выполняется сверху, что представляет потенциальную опасность для операторов, работающих в некомфортных условиях. Как правило, индукционные печи характеризуются значительными капитальными затратами и высокими затратами на техническое обслуживание и рабочую силу. Поэтому на заводе вторичной обработки использование данного типа печи ограничивается плавлением стружки, полученной в результате механической обработки.

Отходящие газы, выходящие из печи, локализуются около печи и должны обрабатываться на месте. Для печей электрического нагрева ситуация отлична. В этом случае отходящие газы образуются на месте выработки электроэнергии, где они должны подвергаться обработке. При сравнении двух систем данный фактор должен учитываться для экологического равновесия. В действительности это равновесие оказывается наиболее полезным непосредственно для печей топливного нагрева, даже если потребление энергии для печей электрического нагрева оказывается намного ниже, так как не учитываются потери тепла с отходящими газами. Но на заводах-производителях происходит обратное. Все электрические печи характеризуются тем, что затраты на энергию намного выше, чем для печей, использующих жидкое топливо или природный газ. Отсутствие потери энергии в дымовых трубах противопоставляется потерям энергии при охлаждении индукторов, которая может достигать 35 %. Это значение сопоставимо с потерей в дымовых трубах современной топливной печи.

Также необходимо рассмотреть другой аспект. В большинстве случаев электроэнергия вырабатывается тепловыми электростанциями, использующими ископаемое топливо или атомную энергию. Очевидно, что около печи электрического нагрева нет выброса отходящих газов. Но такое же количество выбросов происходит на тепловой электростанции, что оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

С точки зрения экологического равновесия разницы нет: неизбежное негативное воздействие на окружающую среду образуется в другом месте - на электростанции. Кроме того, необходимо принимать во внимание общий коэффициент полезного действия для выработки электроэнергии.

Самой распространенной печью в промышленности вторичного алюминия являются подовая отражательная печь и до некоторой степени все печи, разработанные на ее основе для особого применения. Также во вторичной алюминиевой промышленности в качестве плавильной печи используются роторные барабанные печи, особенно для переработки лома с большой удельной площадью поверхности и, в основном, сильно загрязненного.

Общепринято, что промышленность вторичной переработки алюминия включает в себя заводы, которые специализируются на производстве литейных сплавов и раскислителей, а также заводы - производители полуфабрикатов из деформируемых сплавов. В данном случае значение имеют высокая производительность заводов и необходимость переработки наиболее специфичного материала. На плавильных заводах в основном используются подовые печи различных, а иногда специальных конструкций. Роторные барабанные печи обычно используются преимущественно для переработки шлака, стружки и других видов трудноперерабатываемого сырья, содержащего большое количество оксидов. Перерабатывающие предприятия, например, прокатные или прессовые заводы, используют подовые печи также для плавки своих собственных оборотных отходов и свежего металла. Производительность таких заводов также высока. Литейные заводы в большинстве случаев имеют сравнительно небольшой объем производства и степень переработки металла и закупают готовые сплавы у металлургических заводов. Они используют печи, которые в наибольшей степени удовлетворяют их требованиям.

Наиболее распространенной является отражательная печь. Она представляет собой подовую печь с неглубокой ванной металла. Отражательная печь идеально подходит для всех типов лома, которые имеют достаточную удельную поверхность материала для хорошего теплообмена. Однако если поверхность недостаточно велика для того, чтобы войти в тесный контакт с печной атмосферой, это может привести к дополнительным потерям металла. Отражательная печь - идеальное средство для переплавки такого материала, как прессованные профили, слитки или корпуса двигателя и картеры коробки передач, однако она может быть не очень эффективной для переплавки мелкого лома, такого как тара из-под напитков, измельченный материал или металлическая стружка. Для того чтобы решить хотя бы часть этих проблем, была разработана печь с закрытой плавильной камерой, которая представляет собой разновидность отражательной печи. Эта печь позволяет обрабатывать лом с некоторым содержанием загрязнений и большой удельной поверхностью.

Весьма эффективная переработка в отражательной печи таких материалов, как сухая стружка, дробленая банка с удаленным лакокрасочным покрытием и другой мелкий алюминиевый лом, не содержащий примесей прочих металлов, достигается в том случае, если печь снабжена электромагнитным насосом для перекачивания жидкого металла с открытым выносным карманом. Прогретый металл, прокачиваемый насосом, в выносном кармане закручивается в воронку. В эту воронку при помощи транспортера или вибропитателя равномерно подается стружка или другое мелкое сырье, которое моментально погружается в жидкий металл и расплавляется уже под его слоем. Благодаря такой технологии практически полностью исключаются потери алюминия от окисления в процессе нагревания. Использование электромагнитного насоса позволяет также повысить производительность плавильного оборудования за счет выравнивания температуры металла в ванне печи и улучшения условий теплообмена.

Идеальным выбором для переработки мелких фракций, таких как банки из-под напитков, измельченный лом и металлическая стружка (а также шлак), являются роторные печи. Эти печи хорошо себя зарекомендовали и обладают множеством преимуществ для металлургической промышленности. При производстве вторичного алюминия используются два типа роторных печей: барабанная печь с фиксированной осью вращения и наклоняемая роторная печь.

Роторная барабанная печь с фиксированной осью вращения 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, и материал можно загружать в печь через это окно.

Чтобы предотвратить окисление, то есть потери металла, загруженный лом покрывается солевым флюсом, обычно смесью из NaCl и KCl. Однако необходимость в использовании солей для покрытия алюминия при переплавке мелких частиц порождает другие проблемы. Прежде всего, необходимо захоронить солевой шлак, содержащий токсичные компоненты, образующиеся из флюса и неметаллических примесей, содержащихся в алюминиевом ломе. В Европе остается все меньше и меньше места для таких солевых отложений, и за захоронение отходов приходится платить большие деньги. Рециклинг использованного шлака на центральных перерабатывающих заводах помогает в решении этой проблемы, однако остающиеся затраты на соль все еще являются главным фактором, определяющим стоимость производственных работ завода по рециклингу алюминия. Несмотря на все преимущества теплообмена в такой печи, проблема того, что соль и, возможно, большое количество оксида алюминия также приходится разогревать, отрицательно сказывается на общем тепловом балансе.

Для того чтобы получить продукт хорошего качества, свести к минимуму потери металла и решить экологические проблемы, плавильные печи должны обеспечивать возможность тщательного контроля за атмосферой в печи. Были разработаны технологии по герметизации печной двери и поддержанию нужного давления внутри печи путем управления потоком отходящих газов.

Роторная наклоняемая печь (РНП) представляет собой футерованную емкость (корпус печи) цилиндрической или грушевидной формы, устанавливаемую под углом к горизонтали при помощи устройств, обеспечивающих возможность реверсивного вращения корпуса печи вокруг его оси, а также изменения угла наклона оси до отрицательных значений. Наклоняемые роторные печи дают высокий выход годного металла и идеально подходят для переработки шлаков, фольги, стружки, разносортного и прессованного лома с приделками из черных металлов. Плавка сырья в РНП осуществляется с применением солевого флюса, однако он используется в значительно меньших количествах, чем в роторных барабанных печах с фиксированной осью вращения. Наклоняемые роторные печи отличают высокая скорость плавки за счет хороших условий теплообмена, активное флюсование шлака, низкие потери металла при плавке мелкодисперсного сырья с высокой засоренностью оксидами. К недостаткам РНП следует отнести сложность решения проблемы герметизации печного пространства и предотвращения неконтролируемых выбросов отходящих газов в атмосферу цеха.

Расплавленный алюминий из РНП сливается за счет изменения угла наклона корпуса, также из печи удаляется солевой кек (шлак) и черные металлы.

Утилизация солевого кека, получаемого при плавке алюминиевого лома и отходов в РНП, представляет такую же проблему, как и утилизация солевого шлака, получаемого на роторных барабанных печах.

После переплавки жидкий металл поступает в рафинировочное отделение. Оно состоит, как правило, из наклоняемой отражательной печи (миксера), а также оборудования для очистки металла и дегазации его. Несмотря на то, что загружаемая в плавильную печь садка тщательно рассчитана и скомпонована, необходима небольшая корректировка химического состава сплава, заключающаяся в добавлении некоторого количества легирующих металлов или, как это часто бывает, лома определенного типа. Расплавленный алюминий интенсивно поглощает водород из паров воды, которые неизбежно присутствуют в атмосферном воздухе и продуктах сгорания. Поскольку это приводит к появлению пор внутри металла, перед началом разливки сплава содержание водорода должно быть понижено. Это можно сделать путем введения некоторых химикатов или, в зависимости от объема производства и требований к качеству продукции, с помощью специального оборудования для продувки расплава газообразным азотом или хлором (N ₂ или Сl ₂). Оксиды, образовавшиеся при дегазации, снимаются с поверхности ванны. Эти снятые шлаки возвращаются в плавильное отделение на переработку. Если позволяют средства и производительность, то на линии перелива металла на пути между раздаточной печью и литейной машиной устанавливаются устройства для удаления газов и/или керамические фильтры для удаления неметаллических включений (окислов). Поскольку водород, поглощенный расплавленным алюминием, в значительной степени адсорбируется пленками оксида алюминия, присутствующими в расплаве, фильтрация металла с целью удаления неметаллических включений одновременно снижает содержание растворённого в сплаве водорода.

Как только температура металла в печи достигнет требуемой отметки, плавка будет готова к отливке. Тип литейного оборудования определяется требованиями к готовой продукции. Его параметры варьируются от очень больших чушек массой 500-1000 кг и шихтовых чушек массой 5-20 кг до высококачественных полуфабрикатов, таких как цилиндрические слитки, используемые для прессования, или литые полосы специального назначения. На специализированных заводах из металла более низкого качества изготавливаются раскислители в виде чушек, гранул, пирамидок и кубиков для сталелитейной промышленности.

Для отливки крупногабаритных чушек используются большие изложницы, которые могут быть выстроены в виде отливочного круга или линии. К этому виду продукции не предъявляются строгие металлургические требования, такие изделия могут отливаться непосредственно из плавильной печи. Переплавляемые шихтовые чушки массой 5-20 кг, особенно в качестве готовых сплавов, используются в различных отраслях промышленности. Перед разливкой этого материала необходимо провести тщательный отбор и анализ проб металла. Эти чушки разливают в изложницы на конвейерах цепного типа. В конце конвейера устанавливается охлаждающее устройство, за которым следует механизм для укладки чушек. Металл подается в литейную машину из раздаточной печи, как правило, из наклоняемой подовой печи (миксера), обеспечивающей возможность хорошего управления расходом металла. Слитки для прессования также требуют строго определенного состава расплава. Обработка металла, включающая удаление газов и инородных включений, а также модифицирование сплава очень важны, поскольку слитки для прессования используются непосредственно на последующих этапах технологического процесса. Они изготавливаются на вертикальной или горизонтальной машинах полунепрерывного литья с использованием сложных формообразующих систем.

Методы снижения выбросов при хранении, обработке и транспортировке материалов, используемых при производстве вторичного алюминия

Метод, который следует использовать при борьбе с пылевыми выбросами, представляет собой рукавный фильтр.

Существуют разновидности вторичного сырья, которые варьируются от мелкой пыли (флюс, соль, съем и дросс) до крупных отдельных предметов. Из-за потенциально пыльной природы флюсов, соли и съемов/окислов пыль может собираться и удаляться в определенных точках транспортировки и пересыпания сырья, а также при операциях измельчения и сепарации с использованием рукавного фильтра.

Достигнутые экологические выгоды - снижение выбросов в атмосферу и восстановление сырья.

Экологические показатели и эксплуатационные данные для выбросов от транспортировки и погрузки материалов для производства вторичного алюминия представлены в таблице 8.3.

Таблица 8.3

Агрегат	Техника	ЗВ	Значение (мг/нм 3)			Период измерения
			Min	Avg.	Max
65	Рукавный фильтр	Пыль	0,5	0,75	1	Дважды в год
67	Рукавный фильтр	Пыль	2,3	3,25	4,2	Дважды в год

Методы отделения неметаллических компонентов и других металлов от алюминия представляют собой комбинацию следующего:

- магнитная сепарация (отделение черных металлов);

- вихретоковое разделение;

- разделение по относительной плотности (сепарация в тяжелых суспензиях);

- рентгенофлуоресцентная сепарация.

Эти методы используются для увеличения количества отходов, которые могут быть использованы в других отраслях, и для повышения качества сырья. После обработки подготовленное сырье можно использовать во вращающихся и стационарных печах.

Магнитное разделение

После дробления, как правило, в молотковой дробилке, отходы перемещаются ленточными конвейерами, а железо удаляется магнитными устройствами.

Вихретоковое разделение

После магнитного разделения для удаления неметаллических компонентов из измельченных отходов применяется вихретоковое разделение. Электромагнитное поле отделяет алюминий и другие цветные металлы (медь, цинк, магний и др.) от неметаллических компонентов, таких как резина, пластмасса, дерево, на основе различных магнитных свойств.

Разделение в тяжелых средах

Этот метод также позволяет отделить алюминий от других цветных металлов, что способствует получению отходов высокого качества. Измельченные отходы проходят через сосуды, содержащие жидкости различной плотности (обычно от 1 до 3 кг/л). Материал после разделения по плотности осушается и высыхает во время хранения, прежде чем идти в печь; если срок хранения сырья недостаточен для высыхания, необходима стадия принудительной сушки.

Рентгенофлуоресцентная сепарация

Дробленый лом определенного класса крупности поступает в приемный бункер сепаратора. Вибропитатель обеспечивает непрерывную дозированную разгрузку материала из бункера и подачу его на наклонный лоток, который формирует отдельные ручьи с покусковой подачей, разделенные перегородками. Ширина лотка и количество ручьев зависят от класса крупности обогащаемого материала и определяют паспортную производительность сепаратора на этом классе. При сходе с лотка в каждом ручье по траектории свободного падения куски поступают в зону анализа, где в процессе движения сканируются узкой полосой рентгеновского излучения. В качестве источника возбуждения используется рентгеновская трубка с протяженным анодом с целью облучения одной трубкой всех ручьев подачи. Вторичное излучение кусков лома (характеристическое излучение элементов и рассеянное от кусков первичное излучение трубки) регистрируется детекторами, расположенными напротив каждого ручья подачи материала. Зарегистрированное детекторами излучение преобразуется в электрические сигналы, которые при помощи компьютерной программы преобразуются в управляющие сигналы для пневмоклапанов. Напротив каждого ручья установлены пневматические сопла. При срабатывании пневмоклапанов сжатый воздух, подаваемый через сопла, отбрасывает куски лома, имеющие характеристическое излучение, отличное от излучения алюминия, в отдельный бункер или конвейер. Таким образом, можно удалить из алюминиевого лома все прочие цветные металлы и даже при соответствующей настройке программы рассортировать алюминиевый лом по группам сплавов.

Достигнутые экологические выгоды

Восстановление других металлов (железо, цветные металлы).

Более качественная подготовка сырья для процесса плавки.

Экологические показатели и эксплуатационные данные

Основным воздействием этих технологий на окружающую среду является удаление примесей (особенно неметаллических компонентов) из отходов.

В таблице 8.4 приведены данные, представленные для выбросов от транспортировки и погрузки материалов для производства вторичного алюминия.

Таблица 8.4

Агрегат	Техника	Загрязнитель	Значение (мг/Нм 3)			Период измерения
			Min	Avg.	Max
65	Рукавный фильтр	Пыль	0,6	0,95	1,3	Дважды в год
75	Рукавный фильтр	Пыль	3,8	3,8	Нет данных	Один раз в год

Методы удаления масла и органических соединений из стружки до стадии плавления

Обработанная стружка в основном загрязнена смазочным маслом или другими химикатами, используемыми при обработке металла (СОЖ).

Методы удаления до стадии плавления

Физико-химические методы:

- центрифугирование;

- сушка с использованием ротационной сушилки.

8.3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду

8.3.1 Производство вторичного алюминия

Рисунок 8.13 - Входящие и выходящие потоки при производстве вторичного алюминия

8.3.1.1 Расход сырья, материалов и электроэнергии

Как показывает практика, в себестоимости производства вторичных алюминиевых сплавов затраты на сырье и материалы составляют 88 %, а на энергию - только 2,1 %, в то время как затраты на электроэнергию при производстве первичного алюминия достигают 40 %. Именно данное обстоятельство является одной из основных причин резкого увеличения производства вторичного алюминия в 1960-1970-е гг. Так, в Японии производство вторичного алюминия с 1963 по 1973 гг. возросло в 5,66 раза, и практически ликвидировано производство первичного алюминия. Американская фирма, начав в 1968 году переработку тары из-под напитков, уже в 1995 году переработала более 217 тыс. т, или 70 % от выпуска этой тары. В 1995 году в США уровень утилизации алюминиевого лома составил 62,2 %.

Переработка вторичного алюминиевого сырья имеет также важный экологический аспект, так как при производстве вторичного алюминия в окружающую среду выделяется значительно меньше вредных ингредиентов.

Затраты предприятия на производство продукции состоят из стоимости сырья, материалов, энергоресурсов, амортизации основных фондов, заработной платы и других издержек. Себестоимость продукции включает все затраты предприятия на ее производство и реализацию, а также начисления на заработную плату, но не включает затраты на капитальное строительство, капитальный ремонт и содержание непромышленных объектов.

Основными элементами затрат на производство продукции во вторичной цветной металлургии являются:

- сырье, энергия и основные материалы;

- заработная плата;

- амортизация основных фондов;

- прочие расходы.

Затраты на сырье, материалы и топливо складываются из расходов на приобретение материальных ресурсов и доставку их на завод. Эти затраты включаются в себестоимость продукции за вычетом стоимости используемых отходов.

Расходы на заработную плату состоят из всех видов оплаты труда всего персонала и отчислений на социальное страхование, включая и пенсионный фонд.

К прочим затратам относятся организационные расходы, складские и транспортные затраты и пр.

Рассмотрим пути снижения потерь сырья и затрат на его переработку на основных переделах производства вторичного алюминия.

Для повышения извлечения алюминия при переработке лома и отходов важное значение имеет способ подготовки сырья к плавке. Это в первую очередь относится к алюминиевой стружке, удельный вес которой в общем балансе сырья составляет около 50 %. Алюминиевую стружку и шлаки хранят под крышей. Влияние потерь металла в зависимости от способа хранения видно из данных таблицы 8.5.

С целью снижения потерь от окисления стружки в процессе ее сушки, которые достигают 4-5 %, необходимо повсеместно внедрять установки по безокислительной сушке данного вида сырья, так как при этом потери сокращаются на 2 %. Еще большего эффекта можно достичь, если использовать установки по удалению СОЖ из стружки методом центрифугирования. В этом случае потери металла в процессе удаления СОЖ полностью исключаются. Дополнительными преимуществами этой технологии являются отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу и возврат СОЖ поставщикам стружки для повторного использования по первоначальному назначению.

Лом и отходы, кроме стружки и шлаков, хранят на открытых площадках, а после первичной переработки - в коробах, закромах, контейнерах и т.д.

Таблица 8.5 - Потери металла от окисления стружки в зависимости от способа хранения, %

Способ хранения	Продолжительность хранения, мес.
	1	2	3
Под крышей	2,0	4,5	8,0
На открытой площадке	5,0	10,5	До 22,0

Важным резервом повышения экономической эффективности производства вторичного алюминия является разделение поступившего сырья по химическому составу. При недостаточно тщательной сортировке сырья неизбежны случаи использования его не по назначению и выпуска на его основе дешевых видов продукции. Поэтому определению состава лома и отходов должно уделяться пристальное внимание - необходимо следить за укомплектованностью и качественным составом отдела технического контроля и лаборатории, оснащенностью их необходимыми приборами и средствами контроля химического состава сырья и готовой продукции. При переработке вторичного сырья на заводах по производству первичного алюминия и при тщательной сортировке поступившее сырье может быть в отдельных случаях использовано для производства продукции, на которую обычно расходуется первичный алюминий, а это важный источник дополнительной прибыли.

Большое значение для снижения потерь имеет магнитная сепарация сырья. Так, уменьшение содержания железа в алюминиевой стружке на 0,5 % снижает потери алюминия со шлаком на 0,7 %, позволяет сократить расход первичного алюминия на производство марочного сплава на 1,5 %. Особенно эффективно применение магнитной сепарации в сочетании с разделением на виды металлов при переработке лома электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры, который представляет собой сложную смесь черных и цветных металлов.

Столь же значительный эффект обеспечивает разделение смеси алюминиевых сплавов на системы Al - Mg, Al - Сu - Si, Al - Zn, так как при этом сокращаются дополнительные затраты на первичный алюминий, медь, кремний, а также энергоносители.

Как уже известно, первичная переработка лома и отходов и, особенно, сортировка связаны с большими затратами ручного труда, и поэтому разработка, изготовление и внедрение средств механизации являются важными факторами повышения эффективности производства.

Потери металла при плавке в первую очередь зависят от типа применяемой печи. Так, по некоторым данным, извлечение металла при плавке в электропечах на 3 % выше, чем на отражательных.

В процессе выплавки происходит угар - потери металла вследствие окисления компонентов сплава (химический угар) и загрязненности шихты (физический угар), величина которого зависит от химического состава сплава, степени загрязненности шихтовых материалов, типа плавильного агрегата, режима и температуры выплавки сплава. Ориентировочные данные об угаре компонентов сплава при использовании чистой и окисленной шихты приведены в таблице 8.6. Большое влияние на величину угара оказывает не только тип используемых печей, но и степень уплотненности шихты, что наглядно видно по данным в таблице 8.7.

Следует отметить, что до настоящего времени нет научно обоснованных норм угара компонентов сплава. В разных источниках эти данные различаются во много раз, особенно по таким элементам, как кремний, цинк, марганец. Поэтому следует определять химический и физический угар в условиях конкретного цеха по балансовым плавкам.

Таблица 8.6 - Угар компонентов сплава при чистой (1) и окисленной (2) шихте, %

Компонент	Электрические и тигельные печи		Отражательные печи
	1	2	1	2
Al	0,5-1,0	1,0-2,0	1,0-2,0	2,0-3,0
Si	0,5-1,0	0,5-1,0	0,5-1,0	0,5-1,0
Mg	2,0-3,0	3,0-5,0	3,0-5,0	3,0-10,0
Ti	0,5-1,0	1,0-2,0	1,0-2,0	2,0-3,0
Mn	0,5-1,0	1,0-2,0	1,0-2,0	2,0-3,0
Ni	0,5-1,0	0,5-1,0	0,5-1,0	0,5-1,0
Cu	0,5-1,0	1,0-2,0	1,0-2,0	2,0-3,0

Таблица 8.7 - Угар компонентов сплава при плотной (1) и некомпактной (2) шихте, %

Компонент	Ванные печи		Тигельные печи
	1	2	1	2
А1	2,0-3,0	3,0-5,0	0,8-1,0	2,0-3,0
Si	2,0-5,0		1,0-1,5	2,0-3,0
Mg	3,0-5,0	5,0-10,0	2,0-3,0	3,0-5,0
Ti		5,0-10,0	1,0-1,5	1,0-5,0
Mn	2,0-5,0	5,0-10,0	1,0-1,5	2,0-3,0
Ni	1,0-1,2	1,0-1,5	0,5-1,0	1,0-1,2
Cu	1,0-1,2	1,0-1,5	0,5-1,0	1,0-1,2

При рафинировании сплавов дополнительные затраты складываются из стоимости газа (и связанных с его применением амортизационных отчислений на аппаратуру для его ввода) и безвозвратных потерь металла в виде шлака. Стоимость рафинирующих газов заметно отличается, но в общей себестоимости отливок доля стоимости газа не превышает 0,1-0,2 %. Более заметны затраты, связанные с образованием безвозвратных потерь металла при рафинировании. Например, цена азота примерно в 12 раз меньше стоимости аргона, но поскольку при его применении получается на 1-2 кг/т шлака больше, рафинирование аргоном оказывается эффективнее. При рафинировании расплава хлором или смесью аргона с 3-10 % фреона-12 потери металла в шлак примерно в 1,5 раза выше, чем при использовании нейтрального газа.

Уровень капитальных затрат при рафинировании хлором, несмотря на простоту и дешевизну собственно рафинирующего устройства, примерно в 8 раз выше, чем при использовании азота. Это объясняется высокой стоимостью склада хлора и очистных установок для улавливания вредных веществ в отходящих газах.

Анализ структуры расходов показывает, что затраты на рафинирование алюминиевого расплава составляют 0,5-2,0 % себестоимости производства. Применение того или иного способа рафинирования будет экономически оправданным только в том случае, если эти затраты будут компенсированы полученными выгодами за счет повышения качества металла.

Для снижения угара и безвозвратных потерь следует совершенствовать процессы плавки и разливки сплавов.

8.3.1.2 Неорганизованные выбросы

Таблица 8.8 - Выбросы от подготовки лома и отходов алюминия

	Метод/оборудование	Применимость
а)	Закрытые конвейерная или пневматическая системы передачи для пылящего материала	Общеприменимы
б)	Закрываемое оборудование. При использовании пыльных материалов выбросы собирают и направляют в систему пылеулавливания	Применяется только для подачи смесей, подготовленных с использованием системы, включающей бункер с дозатором или взвешиванием
в)	Смешение сырья осуществляется в закрытом здании	Применяется только для пылящих материалов. Для существующих установок это может быть затруднено из-за недостаточного пространства

8.3.1.3 Выбросы органических соединений

Таблица 8.9 - Выбросы органических веществ от процессов плавки лома и отходов

	Метод/оборудование	Применимость
а)	Выбирать и подавать сырье в соответствии с печью и используемыми методами улавливания выбросов	Общеприменимо
б)	Оптимизировать условия сгорания для уменьшения выбросов органических соединений	Общеприменимо
в)	Использовать камеры дожигания органических соединений	Применяется при безокислительной сушке стружки и удалении покрытий пиролизом

8.4 Перечень наилучших доступных технологий для производства вторичного алюминия

8.4.1 Системы экологического менеджмента (СЭМ)

НДТ 1. Повышение общей результативности природоохранной деятельности. Внедрение и поддержание системы экологического менеджмента (СЭМ), соответствующей требованиям ГОСТ Р ИСО 14001 ¹⁵⁾ или ISO 14001 ¹⁾.

8.4.2 Энергоменеджмент

НДТ 2. Повышение эффективности использования энергии: использование метода или комбинации методов, приведенных в таблице 8.10.

Таблица 8.10

	Метод/оборудование	Применимость
а)	Система управления энергоэффективностью (например, в соответствии с требованиями международного стандарта ISO 50001) 1)	Общеприменимо
б)	Использование избыточного тепла (например, пара, горячей воды или горячего воздуха), образующегося при реализации основных процессов	Применим для пирометаллургических процессов
в)	Подача на горелки воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода для уменьшения потребления энергии за счет автогенной плавки или полного сгорания углеродистого материала	Применим для печей, в которых используется сырье, содержащее серу или углерод
г)	Низкотемпературная сушка или центрифугирование влажного сырья перед плавкой	Общеприменимо
д)	Теплоизоляция объектов, функционирующих при высоких температурах, например, трубопроводов пара и горячей воды
е)	Использование высокоэффективных электродвигателей, оборудованных частотными преобразователями, для таких устройств как, например, вентиляторы.	Общеприменимо
ж)	Системы контроля, которые автоматически активируют включение местных отсосов пыли или отходящих газов только при возникновении выбросов

ГАРАНТ:

Нумерация пунктов приводится в соответствии с источником

8.4.2 Контроль технологических процессов и мониторинг эмиссий

НДТ 3. Обеспечение стабильности производственного процесса: внедрение системы автоматизированного контроля и использование метода или комбинации методов, приведенных в таблице 8.11.

Таблица 8.11

	Метод/оборудование	Применимость
а)	Проверка и сортировка исходных материалов в соответствии с требованиями, определяемыми используемым технологическим оборудованием и применяемыми методами сокращения загрязнения	Общеприменимо
б)	Тщательное перемешивание различных материалов, входящих в состав шихты для достижения оптимальной эффективности переработки и сокращения выбросов и отходов
в)	Системы взвешивания и дозирования шихты
г)	Непрерывный инструментальный контроль температуры, давления в печи и подачи газа
д)	Контроль критических параметров процессов, реализуемых на установках очистки воздуха, таких как температура газа, количество подаваемых реагентов, падение давления, ток и напряжение на электрофильтре, объем подачи и pH жидкости в мокром скруббере, состав подаваемого газа
е)	Непрерывный инструментальный контроль силы тока, напряжения и температуры электрических контактов	Общеприменимо

НДТ 4. Предотвращение или уменьшение неорганизованных выбросов от подготовки (например, измельчение, перемешивание, сушка, дробление, классификации, спекания и т.д.) материалов: использование метода или комбинации методов, приведенных в таблице 8.12.

Таблица 8.12

	Метод/оборудование	Применимость
а)	Закрываемые конвейерная или пневматическая системы передачи для пылящего материала	Общеприменимы
б)	Закрываемое оборудование. При использовании пылящих материалов выбросы собирают и направляют в систему подавления (улавливания) выбросов	Применяется только для подачи смесей, подготовленных с использованием системы, включающей бункер с дозатором или взвешиванием
в)	Смешение сырья осуществляется в закрытом здании	Применяется только для пылящих материалов. Для существующих установок это может быть затруднено из-за недостаточного пространства

НДТ 5. Предотвращение или уменьшение неорганизованных выбросов от загрузки лома и отходов алюминия до получения чушек: использование метода или комбинации методов, приведенных в таблице 8.13.

Таблица 8.13

	Метод/оборудование	Применимость
а)	Герметичная система загрузки, такая как закрытые конвейеры и питатель, оснащенные системой аспирации	Общеприменима
б)	Изолированные или отгороженные печи с уплотнением подачи сырья	Уплотнительная дверь применима только для процессов с прерывистой подачей и выходом
в)	Эксплуатация печи и газовые маршруты под разряжением и с достаточной скоростью отвода газа для предотвращения повышения давления	Общеприменима
г)	Уплотнение сочленений с газоходом и леткой при загрузке и выпуске металла	Общеприменимо
д)	Закрытое здание	Общеприменимо
е)	Поддержание герметичности печи	Общеприменимо
ж)	Поддержание температуры в печи на минимально необходимом уровне	Общеприменима
з)	Система газоотвода для загрузки и сочленения с системой фильтрации	Общеприменимо
и)	Установка зонта (укрытия) для ковшей при выпуске металла	Общеприменима
к)	Использование устройств для перемешивания металла при закрытых дверцах печи (электромагнитные перемешиватели, электромагнитные, механические или газодинамические насосы, стационарные системы продувки металла инертными газами)	Общеприменимо

НДТ 6. Снижение выбросов, образующихся при подготовке сырья (например, прием, обработка, хранение, перемешивание, сушка, дробление, измельчение, просеивание) в производстве вторичного алюминия: использование одной или нескольких газоочистных установок различного типа (таблица 8.14).

Таблица 8.14 - Технологические показатели НДТ 6

Технологический показатель	Единица измерения	Значение
Подготовка кускового лома
Взвешенные вещества	мг/нм 3	6
Сушка стружки
Азота диоксид, азота оксид (суммарно)	мг/нм 3	12
Взвешенные вещества	мг/нм 3	60
Обогащение шлака
Взвешенные вещества	мг/нм 3	120

НДТ 7. Снижение выбросов, образующихся при загрузке, плавке и получении чушек в производстве вторичного алюминия, НДТ предусматривает использование одной или нескольких газоочистных установок различного типа (таблица 8.15).

Таблица 8.15 - Технологические показатели НДТ 7

Технологический показатель	Единица измерения	Значение
Плавка в отражательных печах
Взвешенные вещества	мг/нм 3	300
Азота диоксид, азота оксид (суммарно)	мг/нм 3	63
Хлористый водород	мг/нм 3	19
Фториды газообразные (гидрофторид, кремний тетрафторид) (в пересчете на фтор)	мг/нм 3	1,9
Плавка в роторных барабанных печах и РНП
Взвешенные вещества	мг/нм 3	500
Азота диоксид, азота оксид (суммарно)	мг/нм 3	140
Хлористый водород	мг/нм 3	250
Углерода оксид	мг/нм 3	490

НДТ 8 Снижение выбросов, выделяющихся от полного цикла производства вторичного алюминия (подготовка сырья (прием, обработка, хранение, перемешивание, смешивание, сушка, дробление, измельчение, просеивание), загрузка, плавка и получение чушек), предусматривает использование одной или нескольких газоочистных установок различного типа (таблица 8.16).

Таблица 8.16 - Технологические показатели НДТ 8

Технологический показатель	Единица измерения	Значение
Углерод оксид	мг/нм 3	595
Азота диоксид, азота оксид (суммарно)	мг/нм 3	200
Взвешенные вещества	мг/нм 3	200
Хлористый водород	мг/нм 3	9
Фториды газообразные (гидрофторид, кремний тетрафторид) (в пересчете на фтор)	мг/нм 3	4

НДТ 9 Уменьшение выбросов органических соединений в атмосферу при сушке исходного материала, процессах обжига, спекания и плавки при производстве вторичного алюминия: использование метода или комбинации методов, приведенных в таблице 8.17.

Таблица 8.17

ГАРАНТ:

Нумерация пунктов в таблице приводится в соответствии с источником

	Метод/оборудование	Применимость
а)	Выбор и подача сырья в соответствии с печью, использующей методы сокращения выбросов	Общеприменимы
б)	Системы загрузки сырья небольшими порциями	Применяется только для полузакрытых печей
в)	Внутренняя система горелки	Применяется только для печей
г)	Форкамера, рекуператор или регенеративные горелки	Общеприменимы
д)	Избегать систем дымоотсоса отходящих газов с высокой запыленностью при температуре > 250 °C (снижение температуры отходящих газов методом разбавления)	Общеприменимо
е)	Использование эффективной системы сбора пыли	Общеприменимо
з)	Оптимизировать условия сгорания для подавления выбросов органических соединений	Общеприменимо

8.5 Перспективные технологии

8.5.1 Перспективные направления в сортировке и подготовке алюминиевого вторичного сырья для переработки

Первой стадией обработки лома и отходов алюминия является дробление. Так как дробленый лом содержит, кроме алюминия, и другие металлы и горючие отходы, механически отделенные фракции сепарируют друг от друга, используя различные способы классификации. Способ сепарации в тяжелой среде позволяет извлекать алюминиевую фракцию из других за счет изменения удельного веса промежуточной среды. Остающиеся в продукте дробления влага и возможное масло испаряются в сушильном барабане. Для дробления предпочтительнее использовать шредер.

8.5.2 Перспективное направление в производстве вторичного алюминия

Как выявлено в разделе 8.2, наиболее отвечающими принципам НДТ являются роторные наклоняющиеся печи. Однако существуют или находятся в стадии разработки новые конструктивные решения, которые могут в перспективе улучшить их технико-экономические и экологические показатели.

С целью повышения производительности печи, снижения энергетических затрат и выбросов пыли предложено в роторной печи снабдить подвешенную на петлях заслонку и закрепленный на ней дымоход каналами нагрева воздуха, подаваемого в горелку. Сечение каналов для подогрева воздуха выбирается по его скорости, которая превышает 120 м/с. Вращение печи осуществляется с помощью зубчатого зацепления, обеспечивающего возможность понижения механической передачи для вращения печи.

Однако для дальнейшего снижения энергетических затрат и вредных выбросов представляем следующие перспективные направления:

- внедрять экономичные, высокопроизводительные газовые плавильные печи;

- внедрять газовые ванные печи с ведением форсированного режима плавки, снабженных регенеративными горелками, устройствами для электромагнитного перемешивания расплава, современной системой очистки газов;

- использовать газовые плавильные роторные печи для получения высокотехнологичных сплавов;

- ввести в практику возможность регулирования атмосферы печи.

Одновременно имеются предпосылки для совершенствования технологий, совмещений операций плавления, рафинирования, дегазации, фильтрации расплава через керамический фильтр, подбор оптимальных флюсов и комплексной переработки пылей и шлаков.

Одной из технологических задач является разработка эффективной технологии переработки, снижение потерь алюминия за счет уменьшения угара при переработке алюминиевого лома и шлаков, а также возможность переплава сложного алюминиевого лома и сокращение времени переработки отходов.

Один из перспективных способов плавки лома и шлаков в отражательной печи, обеспечивающий сокращение потерь металла, - способ, при котором дробленым и высушенным флюсом сначала покрывают поверхность металлической жидкой ванны, а затем выступающие куски отходов после их загрузки в металл. После нагревания до температуры 700-800 °С при переработке алюминиевых шлаков или до 720-759 °С при переработке алюминиевого лома осуществляют выдержку до полного расплавления загруженного сырья с поддержанием степени перегрева жидкой ванны по сравнению с температурой ее плавления не менее 30 °С. В качестве флюса используют смесь, состоящую из 20 % криолита (NaAlF ₆) и 80 % отработанного электролита магниевого производства (ОЭМП), а массовое соотношение отходов и флюса составляет (0,5 - 5):1, причем ОЭМП представляет собой состав, масс. KCl 70-80; NaCl 10-15; MgCl ₂ 5-8; MgO; CaCl ₂ и H ₂O остальное.

В качестве источника криолита возможно использование оборотного электролита алюминиевого производства следующего состава, масс. NaAlF ₆ 83-87; AlF ₃ 5-7; NaF 3-4; CaF ₂ 3-4; Al ₂O ₃ 2-4; С остальное.

Выбор рационального состава флюса криолит ОЭМП 20 % 80 % основан на том, что именно этот флюс является самым эффективным и легкоплавким, дает оптимальную температуру для разных отходов. ОЭМП может быть разного состава (цвета), но любой из возможных пригоден для флюсования алюминиевых отходов. Предпочтительным является состав белого цвета, более глубоко электролитически переработанный продукт с более высоким содержанием хлоридов натрия и калия 15 % и 75,2 % соответственно при 6,8 % содержания MgCl ₂.