Технология плавки алюминиевых сплавов

Все печи для плавки алюминия

Ниже представлена классификация печей для плавки алюминия с точки зрения их конструкции. На рисунке – обзор плавильных печей, которые применяют в алюминиевой промышленности.

Классификация плавильных печей для алюминия

Рисунок – Классификация плавильных печей для алюминия

  • 1.00 – отражательная печь, стационарная
  • 1.11 – печь с загрузкой шихты сверху
  • 1.12 – круглая печь
  • 1.13 – печь с загрузочным колодцем
  • 1.14 – двухкамерная печь
  • 1.15 – печь с сухим подом
  • 1.16 – печь скоростного плавления
  • 1.17 – шахтная печь
  • 1.21 – отражательная печь, наклоняемая
  • 1.22 – наклоняемая цилиндрическая печь
  • 1.23 – наклоняемая овальная печь
  • 2.00 – тигельная печь
  • 2.11 – газовая тигельная печь
  • 2.12 – электрическая тигельная печь сопротивления
  • 2.21 – тигельная индукционная печь
  • 2.22 – канальная индукционная печь
  • 3.00 – роторная печь
  • 3.10 – наклоняемая роторная печь

Три класса плавильных печей для алюминия

Чаще всего в производстве вторичного алюминия применяют так называемые отражательные (подовые) печи. Этот тип печей для плавки алюминия (1.00) имеет много модификаций. Все эти модификации, так или иначе, приспосабливают классическую отражательную печь под особые условия работы и специальную шихту.

Популярными являются тигельные печи (2.00), особенно, на малых производствах.

Производители вторичного алюминия широко применяют в качестве плавильных печей роторные печи (3.00), особенно для переработки лома с высокой удельной поверхностью, например, алюминиевую стружку, а также сильно загрязненный алюминиевый лом.

Семейное древо плавильных печей, которое показано на рисунке, относится именно к производству вторичного алюминия. Некоторые технологии плавления алюминия имеют очень ограниченное и специальное применение.

Кроме того, производители вторичного оборудования применяют различное оборудование в зависимости от назначения своей продукции и типа алюминиевого лома, который они применяют.

Печи для литейного вторичного алюминия

Производителей вторичного алюминия обычно подразделяют на две категории. К первой категории относят производства, которые выпускают в основном литейные сплавы для производителей алюминиевых отливок, а также алюминий для раскисления стали. Сырьем для этих производителей является «старый» лом и производственные отходы литейных производств. По-английски их называют «refiners». Эти производства кроме введения легирующих элементов для доводки заданного сплава применяют оборудование для очистки алюминиевого расплава и удаления нежелательных химических элементов и примесей.

Роторные плавильные печи применяют именно эти переработчики алюминиевого лома.

Литейные предприятия, которые изготавливают алюминиевые отливки из вторичного литейного алюминия, широко применяют тигельные печи – газовые и электрические, индукционные и сопротивления, как для плавки и выдержки алюминия, так и для разливки алюминиевого расплава в литейные формы.

Печи для деформируемого вторичного алюминия

Вторая категория производителей вторичного алюминия включает производства для получения деформируемых алюминиевых сплавов. Они применяют в качестве шихты чистый и отсортированный лом деформируемых алюминиевых сплавов. Продукция этих производителей вторичного алюминия – слябы и слитки для прокатки и экструзии (прессования). Их по-английски называют «remelters». К ним относятся и производства, которые являются подразделениями заводов по прокатке и прессованию алюминиевой продукции и которые перерабатывают в основном собственные технологические отходы.

Эти плавильщики-литейщики алюминиевого лома применяют в основном отражательные (подовые) печи – стационарные и наклоняемые. Различные конструкции этих печей отвечают требованиям конкретных производств: по энергетической эффективности, по чистоте металла, по производительности и т. д.

В таблице представлен обзор применения различных типов печей в алюминиевой промышленности. Индексы типов печей – по схеме классификации печей на рисунке.

Таблица – Применение печей (плавильных, для выдержки, раздаточных) в алюминиевой промышленности

Обозначения: 0 – не применяется, 1 – применяется в отдельных случаях, 2 – часто применяется, 3 – стандартная технология, 4 – ключевая технология

Источник: Ch. Schmitz, Handbook of Aluminium Recycling, Vulkan-Verlag GmbH, 2006.

Подпишитесь на новые публикации!

Материаловед

2.6. Технология плавки

Процесс приготовления жидкого металла является одной из самых ответственных операций литейного производства. Он оказывает большое влияние на качество литья.

Перед плавкой производят расчет шихты – количества материалов, необходимого для получения сплава заданного состава с учетом потери при плавке.

В первую очередь в печь загружают наиболее тугоплавкие материалы. Легколетучие, сильноокисляющиеся и малые добавки желательно вводить с помощью лигатур (вспомогательных сплавов). Специальные шлаки и флюс засыпают на первую порцию шихты.

Слой шлаков или флюсов защищает расплав от взаимодействия с воздухом. Покровный шлак должен быть более легкоплавким и легким, чем расплав, не взаимодействовать с расплавом.

Для стали и чугуна используют шлаки на основе системы СаО – SiО2. Для медных сплавов используют систему SiО2 – Na2Ос добавками хлоридов натрия, кальция, буры. Основой флюсов для магниевых сплавов служит карналит КСl • МgСl2. Алюминиевые сплавы в случае использования грязной и легкой шихты (например, в виде стружки) плавят также под защитой флюса из карналита с добавками хлоридов и фторидов натрия и кальция.

В процессе плавки металл может взаимодействовать с воздухом, влагой, футеровкой, в результате чего расплав загрязняется нерастворимыми оксидами, частицами разрушенной футеровки, а также каплями шлаков, флюсов. Для очищения металла от неметаллических включений его рафинируют. Удаляются только докристаллизационные неметаллические включения, т. е. те, которые были в расплаве до начала кристаллизации.

Рафинирование цветных металлов осуществляют различными способами. Простейший из них – отстаивание. Поскольку частицы неметаллических включений легче расплава, они всплывают к поверхности и переходят в шлак. Правда, при этом удаляются лишь сравнительно крупные частицы, движение которых описывается формулой Стокса

где W – скорость всплывания частиц; g – ускорение силы тяжести; ρм – плотность металла; ρв – плотность металлической взвеси( частиц); η –динамическая вязкость металла; r – радиус частиц.

Читайте также:  Как проверить АКПП при покупке подержанного авто без СТО

Частицы, размер которых измеряется микрометрами, всплывают настолько медленно, что очистить от них металл до истечения времени затвердевания методом отстаивания (даже крупных слитков) практически невозможно.

Более действенный способ удаления неметаллических включений – обработка расплава рафинирующими шлаками или флюсами. Расплав перемешивают со шлаком или флюсом. Частицы неметаллических включений либо прилипают к каплям шлака или флюса за счет смачивания, либо просто растворяются в них. После обработки расплав необходимо отстаивать. Рафинирующие шлаки и флюсы для цветного литья отличаются от покровных тем, что они более легкоплавки и содержат оксид натрия Na2О, фторид кальция CaF2 криолит Na3AlF6. которые хорошо растворяют оксидные включения.

Неметаллические включения хорошо отделяются при продувке расплавов газами. Мелкие пузырьки газа, проходя через толщу расплава, встречаются с инородными частицами, которые прилипают к ним и выносятся на поверхность.

Универсальным и наиболее действенным способом удаления неметаллических включений является фильтрование расплава через зернистые или спеченные пористые фильтры.

Удаление из расплава растворенных газов, кроме кислорода, осуществляется вакуумированием, продувкой расплава другими не растворимыми в них газами, вымораживанием.

При продувке нерастворимыми газами пузырьки этих газов поглощают растворенные газы за счет того, что парциальное давление растворенного газа равно нулю и он переходит из растворов в пузырек продуваемого газа. Все сплавы можно продувать аргоном и гелием, медные и алюминиевые – азотом. Для алюминиевых сплавов применяют, кроме того, летучие хлориды алюминия, цинка, марганца, а также – гексахлорэтан.

Вымораживание заключается в медленном охлаждения расплава до затвердевания с последующим быстрым нагреванием. При медленном охлаждении водород и азот постепенно выделяются из расплава.

Удалить из расплава растворенный кислород позволяет раскисление. Его проводят различными способами. Наиболее универсальным является внутреннее (осадочное) раскисление. Оно заключается во введении в расплав специальных добавок, которые связывают кислород в нерастворимые в расплаве соединения. Осадочное раскисление приводит к появлению большого количества неметаллических включений, которые обычно удаляются из расплава отстаиванием.

Проще всего удаляются включения, которые имеют компактную форму (например, сферическую) и возможно меньшую плотность. Поэтому для раскисления меди используют фосфор (жидкие фосфаты меди), для сталей – сложные раскислители, которые содержат кремний, марганец, кальций, образующие легкоплавкие силикаты. Лишь для завершения раскисления стали вводят более сильный раскислитель – алюминий, дающий в расплаве практически неотделимую взвесь твердых частиц.

Некоторые сплавы перед заливкой в литейную форму подвергают модифицированию: в жидкий металл вводят специальные добавки, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации, или изменяют поверхностное натяжение расплава на границе с зародышем кристаллизации. Тем самым достигают измельчения структуры литого металла и повышения физико-механических свойств. Так, путем модифицирования магнием серого чугуна получают высокопрочный чугун со сферической формой графитовых включений. Широко применяется модифицирование алюминиевых сплавов.

Выплавка стали. Цикл плавки в электрической дуговой печи можно разделить на три этапа.

Первый – период расплавления шихты. Его продолжительность зависит от состава шихты и интенсивности подвода теплоты.

Второй – период окисления, в течение которого из расплава удаляются основная часть сопутствующих элементов и газы.

Третий – период доводки плавки, во время которого из стали удаляется сера, производится раскисление и легирование.

В течение всего процесса плавки печная атмосфера, шлак и расплав взаимодействуют между собой. В печи создаются условия для снижения содержания нежелательных элементов.

Подавляющую часть вредных примесей можно удалить из стали окислением. Кислород в металл поступает из руды или из воздушной атмосферы. Образующиеся при этом оксиды переходят в шлак.

При плавке в индукционных печах химические реакции между металлической ванной и шлаком протекают вяло, так как печь открыта и шлак постоянно охлаждается атмосферным воздухом. Поэтому индукционные печи применяют, как правило, для переплава металлической шихты.

Выплавка чугуна. Металлическая шихта при плавке чугуна в вагранке состоит из следующих компонентов: литейного чугуна, чугунного лома, стального лома для регулирования химического состава, ферросплавов.

Топливом служит литейный кокс, а флюсом – известь.

Плавка протекает следующим образом. Вначале в горне вагранки разжигают порцию кокса, которая называется холостой колошей. Когда она разгорится, в вагранку попеременно загружают слой металлической шихты, слой кокса с флюсом. Одновременно в вагранку подается воздух от вентилятора. Металлическая шихта начинает плавиться. Капли расплавленного металла протекают через зазоры между кусками кокса и собираются вместе со шлаком в горне печи. Когда накопится большое количество чугуна, его через летку выпускают в разливочный ковш. Так же периодически выпускают шлак.

Плавка чугуна в электрических печах имеет ряд преимуществ по сравнению с плавкой в вагранке. Прежде всего, она позволяет более точно выдержать химический состав сплава.

В индукционных печах можно выплавлять синтетический чугун путем науглероживания расплавленного стального лома соответствующими карбюризаторами – боем графитовых электродов или коксом.

При повышении температуры расплава у чугуна появляется склонность к отбелу. При затвердевании углерод выделяется не в виде графита, а в виде цементита Fe3С. Для предотвращения отбела чугун модифицируют на желобе или в ковше графизирующими модификаторами (FeSi, SiCa).

Получение сплавов на основе алюминия. Выплавка алюминиевых сплавов, как правило, сводится к переплавке чушек. Поскольку алюминий и его сплавы склонны к окислению и поглощению газов, их плавят обычно быстро и без избыточного перегрева. На поверхности расплава образуется тонкая пленка Аl2О3, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. Поэтому на поверхность расплава не наносят защитные покрытия.

Алюминиевые сплавы обычно рафинируют продувкой газом с применением хлоридов в виде флюсов, вакуумной или автоклавной обработкой. Силумины эвтектического состава модифицируют солями натрия.

Читайте также:  Hyundai Porter (ТагАЗ) характеристики и цена, фото и обзор

Получение сплавов на основе меди. Сплавы меди легко насыщают водородом, особенно если эти сплавы содержат кислород. Водород при затвердевании сплава выделяется в виде пузырьков. Чтобы избежать подобных пороков на отливках, плавку производят под слоем предохраняющего флюса из сухого древесного угля и различных солей (буры, поваренной соли, безводной соды и др.)

Обязательной стадией плавки меди является раскисление, для которого чаще всего применяют фосфористую медь.

ПЛАВКА ТОНКОСТЕННОГО ЛОМА С ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

Ибрагимов В.Э. 1 , Гарсиа Л.М. 2 , Бажин В.Ю. 3

1 Магистр кафедры металлургии, 2 Аспирантка кафедры АТПП, 3 Заведующий Кафедрой АТПП, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

ПЛАВКА ТОНКОСТЕННОГО ЛОМА С ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

В работе изучается проблема переработки загрязненных алюминиевых отходов доля которых неуклонно увеличивается в производстве вторичных сплавов. В лабораторных условиях проведены плавки, при которых шихта была сформирована из алюминиевого лома в виде тонкоизмельченных банок. Полученные отливки были проанализированы химическими и металлографическими методами, и выявлены основные показатели, влияющие на выход годного продукта. Изучен состав и содержание веществ, выделяющихся газообразных продуктов в ходе процесса плавления для оценки их влияния на окружающую среду. Научно обосновано необходимость выбора плавильного оборудования для переплавки загрязненных тонкостенных алюминиевых отходов.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, тара для напитков, лакокрасочные покрытия, рециклинг алюминия.

Ibragimov V.E. 1 , Garcia M.L. 2 , Bazhin V.Y. 3

1 Master of the Department of Metallurgy, 2 Postgraduate student of the Department ATP, 3 Head of the Department ATPP, Professor, National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg

MELTING OF THIN WALLED PAINT SCRAP COATINGS FOR ALUMINUM ALLOY PRODUCTION

Abstract

In this paper the problem of contaminated aluminum waste recycling the percentage of which steadily increases in the production of secondary alloys are investigated. In laboratory furnaces had meltings in which the charge was fully formed from the aluminum scrap in the form of finely divided aluminum cans. The resulting casting of aluminum alloy were analyzed by chemical and metallographic methods and carried out additional experiments to identify the main factors influencing the yield of the product metal. The composition and content of substances, gaseous products evolved during the melting process to assess their negative impact on the environment. Scientifically substantiated need for the selection of equipment for melting contaminated aluminum scrap thin.

Keywords: aluminium alloy, containers for beverages, coatings, recycling aluminum.

Введение

В настоящее время во всех странах увеличивается доля производства вторичных алюминиевых сплавов, из-за роста оборота упаковочной тары и мелких металлических отходов. К такому типу алюминиевых отходов относят не только алюминиевые банки из-под напитков, но также металлическую посуду, оконные рамы, крашенные автодетали, которые используются для повторного производства (рециклинга) аналогичных изделий [1]. Значительная доля отходов приходится и на скрап, загрязненный красками, лаками и различными органическими покрытиями [2].

Часть предприятий, занимающихся рециклингом алюминия плавит алюминиевые банки, и другие виды ломов с лакокрасочными покрытиями в пламенных отражательных печах, не принимая во внимание специфику переплава данной шихты, которая должна быть основана на современных экономических и экологических особенностях производства [3].

Плавка в отражательных печах имеет ряд существенных недостатков, в которых, в отличие от роторных печей, невозможно автоматизировать процесс, и управлять атмосферой печи, что необходимо при переплаве ломов с лакокрасочными и другими органическими покрытиями.

Эффективность плавки в отражательных камерных печах достигается только загрузкой шихты в слой расплава – «болото» [3], что исключает возможность правильной подготовки шихтовых компонентов с лакокрасочными покрытиями, в первую очередь из-за необходимости постоянного поддержания температуры в печи в интервале 700–800 ˚С. Применение такой технологии, даже при организации многоступенчатого рафинирования и дегазации расплава, неизбежно приводит к большому количеству неметаллических и оксидных включений в отливках.

Если материал, загружаемый в печь, сильно загрязнен оксидами и органическими компонентами (красками и лаками), необходимо создать условия для удаления покрытия и предотвратить выгорание органических веществ вместе с алюминием (эффект угара) [4]. При этом топочная система печи должна обеспечивать достаточное количество избыточного воздуха для выгорания органических компонентов, которые воспламеняются при контакте с горячим пламенем горелки. Наиболее подходящим оборудованием для решения подобных задач являются роторные барабанные печи с возможностью регулирования атмосферы печи.

Целью работы являлось получение однородного материала из алюминиевого сплава заданного химического состава после вторичной переработки и плавки алюминиевой тары от напитков для дальнейшего производства алюминиевых полуфабрикатов.

Результаты экспериментов являются основанием для перевода переплавки вторичного сырья с лакокрасочными покрытиями с подовых отражательных печей на более технологичные плавильные мощности ‒ барабанные роторные наклонные печи (РНП).

Хроматографический и масс-спектрометрический анализ газов, выделяющийся из алюминиевых емкостей для напитков

Для проведения анализа состава выделяющихся газов в виде химических соединений из загрязненного алюминиевого лома проводили выдержку порции 5 г при температуре 200 о С и 650 о С. Пробы измельченного и дробленного алюминиевого лома взвешивали и вставляли в стеклянную капиллярную трубку, которую помещали в печь при заданной температуре.

Первый забор выделившихся компонентов проводили в течение 20 минут при закачке и вытяжке литра гелия через трубку. Выделившиеся вещества собирали в сорбционной трубке заполненной комбинированным угольным фильтром 300 из трех сорбентов, размещенных последовательно (угольный фильтр и сито SII). Полученные сорбционные трубки обрабатывали методом термической десорбции в агрегате Tekmar 6000. Определение фазового составов образцов на автоматизированном рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-6000, с использованием поисковой системы рентгенофазовой идентификации материалов. Отходящие газы анализировали с помощью масс-спектрометра Pfieffer Vacuum Termostar GSD301T3 при интерпретации измеренных масс спектров (рис. 1).

Читайте также:  Свистит ремень генератора почему и что делать чтобы устранить эту неисправность

Рис. 1. Масс-спектры выделившихся соединений при 300°C

Рис. 2. Данные термогравиметрического анализа

Тестирование плавления и выход годного металла

В ходе экспериментов проведены три плавки из алюминиевого лома в виде тонко измельченных банок Полученные отливки из сплава были проанализированы химическими и металлографическими методами.

Первоначально взвешивали шихтовые материалы, содержащие 1,5 кг мелкоизмельченных отходов алюминиевой упаковки для напитков для каждой отливки (№1, 2 и 3). Для качественного определения количества измельченных банок использовали весы со шкалой от 5 г до 1000 г, и погрешностью в 0,1 г. Шихту загружали в графитовый тигель и помещали в камеру триплекс плавильного комплекса Горного Университета. Плавку проводили при температуре 780 о С и, после расплавления отходов добавляли флюс (20 г). Далее расплав перемешивали, чтобы взять пробу с поверхности металла. Сплав отливался в круглую форму, и после охлаждения взвешивался для расчета выхода годного металла по следующей формуле:

Выход годного металла после плавок изменялся от 75% до 83% (плавка №1 – 75,5%, плавка №2 – 79,2% и отливка №3 – 83,1%).

При переработке тары для напитков в промышленном масштабе с целью достижения более высокого уровня выхода годного металла, более подходящим способом подготовки загрузки является использование операции дробления банок, с последующим прессованием лома в «брикеты» [6]. Наряду с прессованием, для повышения выхода годного используется способ загрузки лома в уже расплавленный металл – «болото» [7].

Исходя из вышесказанного, на аналогичном оборудовании были проведены дополнительные эксперименты по изучению влияния высоты слоя металла на выход годного (табл.1 и рис. 3). Образцы полученного алюминиевого сплава отбирали по 100 г в каждом опыте, и слой алюминия в тигле повышался с каждой плавкой и определяли выход годной продукции.

Таблица 1 – Показатели эксперимента по изучению влияния высоты слоя металла на выход годного

Из полученных результатов экспериментов можно сделать вывод, что с увеличением слоя металла на подине печи увеличивается выход годного, но при этом увеличивается количество шлака, что приводит к потере металла.

Рис. 3. Влияние слоя металла на выход годного

На практике, целесообразно плавить мелкие загрязненные лома, а также стружку в индукционных печах с заданным слоем металла. При заданном температурном режиме, именно в этих печах можно добиться более высокого выхода годного металла.

Спектрометрический анализ образцов после плавления

Для определения химического состава образцов №1, 2 и 3 после плавки и литья алюминия в формы, отбирались требуемые для спектрометрического анализа аншлифы. Определение элементного и фазового составов образцов расплава проводили на дифрактометре ДИФРЕЙ-402 (г. Санкт-Петербург).

В результате выявлено более 20 элементов. Результаты анализа отдельных образцов отливок №1, 2 и 3 представлены в следующих таблицах.

Все образцы близки по составу к сплаву системы Al-Fe-Mn (по американской классификации это сплавы EN AW 3103 или EN AW 3003) с содержанием отдельных элементов Mn 0,9- 1,5% (таблица 2).

Таблица 2 – Процентное содержание элементов в отливках

Содержание основных примесей находится в пределах, масс. %: 0,34-0,90 по Fe, 0,32=0,34 по Si и 0,02-0,2 по Zn. Содержание Al изменяется в интервале 96-98%

Металлографическое исследование образцов

Полученные алюминиевые отливки каждой отдельной партии, размещали в круглые формы, разрезали по оси в центральной части. Далее темплеты полировались с последующим травлением раствором 10% фосфорной кислоты в течение 5 мин. Структурное исследование осуществлялось методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе JSM-6460 LV (JEOL, Япония) с аналитической приставкой INCA (Великобритания).

Рис. 4. Микроструктура: а – отливка №1, б – отливка № 2, в – отливка № 3

Видно, что микроструктура отливки №1 принципиально отличается от других двух отливок, т.к. содержит повышенное количество железа, которое проявляется при помощи металлографического анализа в наличии большого числа грубых игл интерметаллических фаз типа FeSiAl5 с размером 30-70 мкм (рис. 4, а). Микроструктура отливки №2 (рис. 4, б), также как и отливки №3 (рис. 4, в), имеет разветвленные интерметаллические фазы типа AlFe(Si)Mn, которые называются обычно «китайский шрифт» размером 80-200 мкм. В отливке №3 проявляется дендридная структура более очевидно, это объясняется тем, что литье проводили в жидко-твердом состоянии

Микроструктура всех отливок имеет высокий уровень местной междендритной пористости с оксидными пленами различных форм.

Заключение

При температурах от 200-350 о С, с поверхности алюминия выделяется значительное количество опасных химических соединений. Термогравиметрические и масс результаты исследования указывают на то, что потери летучих соединений составляют 3-4% от потерь алюминия.

Все исследуемые отливки близки по составу к сплаву EN AW 3103 или EN AW 3003 с содержанием Mn 1,1-1,5% и Al 96,3-97,9%.

Полученные результаты плавки для отдельных отливок позволяют предположить, что выход годного металла изменяется в пределах 70-80%.

Весь объем полученных отливок является компактным и однородным, без усадки, пор и следов переплавки отходов. В микроструктуре всех образцов можно увидеть появление карбидов, из-за наличия пластиковых отходов и красителей, при их реакции с алюминием. С увеличением количества оксидных пленок увеличивается междендритная пористость.

Для повышения качества отливок необходимо проводить рафинирование и дегазацию, также добавить операцию фильтрации через керамический фильтр, а так же важно технологически правильно обжигать шихту перед плавлением, что не возможно в отражательных подовых, но осуществимо в роторных печах с регулированием атмосферы печи.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector