Современные технологии переработки тонкостенного алюминия

Текучесть глинозёма определяется в основном гранулометрическим составом материала, а также содержанием в нём а- АI₂О_з. Материалом с хорошей текучестью можно считать глинозём с пониженной степенью прокалки. Он имеют крупность зерна более 45 мкм, высокую степень однородности гранулометрического состава и угол естественного откоса 30-400. Однако в наибольшей степени требованию высокой текучести удовлетворяет песчаный глинозем, содержащий фракцию < 45 мкм не более 10% и а- А1₂О_з в пределах 5%, с углом естественного откоса менее 350.

Глинозёмы со слабой текучестью и углом естественного откоса >40-450 комкуются при контакте с  электролитом. Образовавшиеся комки обволакиваются электролитом и, имея больший удельный вес, оседают через границу металл-электролит, образуя осадок [7].

Кроме того, на электролизёрах ВТ глиноземы с плохой текучестью при перемещении анода зависают, образуя пустоты, но которым воздух проникает до боковых граней анода  и окисляет их. Однако если текучесть  глинозема будет слишком велика, то надежное укрытие анодов будет затруднено, что особенно важно для электролизёров с обожженными анодами.

Потери глинозема за счет уноса с анодными газами в виде пыли зависят, главным образом, от его  гранулометрического состава (от содержания фракции менее 10-20 мкм), от технологии обработки электролизёров, настройки  АПГ и частоты анодных эффектов. Суммарные потери мучнистого глинозёма составляют 17-25 кг/т алюминия, что на ~ 10-15 кг/т выше по сравнению с результатами для песчаного глинозёма.

В глинозёме, используемом для  производства алюминия, должно содержаться  минимальное количество соединений железа, кремния, тяжелых металлов с  меньшим потенциалом выделения  на катоде, чем алюминий, т.к. они  легко восстанавливаются и переходят в катодный алюминий. Нежелательно также присутствие в глинозёме избытка оксидов щелочных металлов, поскольку они вступают во взаимодействие с фтористым алюминием электролита по реакции

3 Na₂0 + 2 АlF_з = 6 NaF + Аl₂О_з

разлагают его и тем  самым нарушают установленное криолитовое  отношение. Для восстановления к.о. требуется корректировка электролита фтористым алюминием, что удорожает стоимость первичного алюминия. В случае содержания Na₂0 в глинозёме 0,3 % и более при работе на кислых электролитах начинается наработка излишнего количество электролита, который необходимо периодически сливать из ванны.

По химическому составу  глинозём должен соответствовать приведенным  в ГОСТ 30558-98 «Глинозём металлургический».

Боксит является лучшим и во всем мире основным сырьем для получения алюминия. Его используют также для производства искусственного корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По химическому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема с окислами железа, кремния, титана и других элементов.

Нефелин Na(AlSiO) - минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Аl₂О_з. Используют нефелин как металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленности.

Алунит (квасцовый камень) - минерал белого, серого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Аl₂О_з. Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

Фтористые соли

Для наплавления электролита - основной среды, в которой протекает  процесс электролиза, используется криолит. Выпускаемый в промышленности технический криолит должен соответствовать требованиям ГОСТ 10561-80.

Выпускаемый отечественной  промышленностью криолит отличается пониженным криолитовым модулем (т.е. пониженным отношением NaF:AIF₃). Это помогает поддерживать при переплавке такого криолита достаточно низкое криолитовое отношение в электролите.

Кроме технического криолита на предприятиях, имеющих систему  мокрой газоочистки, используют регенерированный криолит, который поступает в виде смеси с флотационным криолитом и носит название смешанного. Это так называемый вторичный криолит. В нём контролируют содержание фтора, натрия, серы, углерода и влаги.

В качестве основного модификатора электролита алюминиевых ванн используется соль A1F3. С помощью этой добавки компенсируются потери фтора из-за улетучивания A1F3 и поддерживается заданное криолитовое отношение. Технический фтористый алюминий должен соответствовать условиям ГОСТ 19181-78 .

Фтористый натрий применяется  после пуска электролизёров как  компенсация соли NaF, которая теряется в результате пропитки угольной футеровки. Эта соль выпускается согласно ТУ 113-08-586-56. В высшем сорте содержится 97%, в первом сорте - 95% NaF. На практике как Источник натрия чаще всего используют соду.

Другие добавки (фтористый  кальций, фтористый магний и кальцинированная сода) выпускаются по техническим  условиям, согласованным производителем и пользователем [12].

Вторичное сырье

В зависимости от происхождения  лом алюминия состоит из деталей  машин, двигателей, самолетов, приборов, бытовых изделий. Составляющие лома представляют собой поковки, отливки, штамповки, изделия из труб, прутков  и профилированного проката.

Для алюминиевого лома характерно смешение деталей из различных алюминиевых  сплавов, наличие приделок из неметаллических  и металлических материалов, высокая  степень засоренности. Значительная доля вторичного алюминиевого сырья  представлена отходами, которые образуются при производстве изделий из листа  и проката, проволоки, фольги.

Вторичным сырьем является стружка, образующаяся при механической обработке алюминия и его сплавов. Она составляет самую большую  группу алюминиевых отходов; доля ее в общем количестве отходов и лома достигает 40% и более.

 В процессе плавки  алюминия и его сплавов на  поверхности расплава образуются  окислы. Смесь окислов с частицами  футеровки и пылью, пропитанная  жидким металлом, удаляется с  поверхности расплава и образует  съемы (шлаки). Они содержат алюминий  и, как правило, перерабатываются  на заводах вторичных цветных  металлов [8].

В соответствии со стандартом в первую группу классификации лома и отходов алюминия включены лом  и отходы нелегированного алюминия, во вторую -- лом и отходы деформируемых  сплавов с низким содержанием  магния (до 0,8%), в третью -- лом и  отходы деформируемых сплавов с  повышенным содержанием магния (до 1,8%), в четвертую -- отходы литейных сплавов  с низким содержанием меди (до 1,5%), в пятую -- литейные алюминиевые сплавы с высоким содержанием меди, в  шестую -- алюминиевые деформируемые  сплавы с высоким содержанием  магния (до 6,8%), в седьмую--алюминиевые  литейные сплавы с высоким содержанием  магния (до 13%), в восьмую отходы деформируемых  сплавов с высоким содержанием  цинка (не более 7,0%), в девятую-- алюминиевые  литейные сплавы с высоким СО'.

Лом и кусковые отходы

Эта группа вторичного сырья  включает лом изделий из листа  и проката, проволоки, литья, поковок  и отходы, образующиеся при производстве этих изделий.

Лист и прокат используют в производстве самолетов, судов, мебели, бытовых предметов, при этом образуются отходы в виде листовой обрези. Самолетным ломом являются корпуса не пригодных  к эксплуатации самолетов и их отдельные части: фюзеляж, кабина, крылья, хвостовое оперение и куски корпуса  самолета, а также целые корпуса  самолетов, израсходовавших свой ресурс. Корпус представляет собой дуралюминовую  или стальную конструкцию, обшитую  листами дуралюмина. Внутри корпуса  смонтированы топливные баки, трубопроводы, электропроводка, имеется большое количество мелких деталей. Самолетный лом является наиболее сложным видом сырья, так как он включает большое количество деталей из различных металлов, которые трудно удалить.

Его предварительно подвергают разделке для удаления посторонних  металлов и материалов, которые при  плавке могут перейти в расплав  и загрязнить сплав, увеличить угар алюминия (горючие материалы), удлинить плавку [7].

В последнее время в  переплавку поступает все большее  количество судового лома: катеров, лодок, бакенов, понтонов и других изделий. По химическому составу судовой  лом отвечает алюмипиевомагниевым  сплавам, обладающим повышенной коррозионной стойкостью.

Весьма ценным видом сырья  для выплавки вторичного алюминия и  алюминиевых сплавов являются отходы, образующиеся при изготовлении изделий  из листа и ленты -- листовая обрезь. Этот вид отходов представляет собой  куски кромок и концов, выштаиповку, высечку. К листовой обрези относят  также бракованные куски листа  или ленты (мятые, поцарапанные», а  также брак деталей, изготовленных  холодной штамповкой. Засоренность листовой обрези обусловлена наличием обрезков пластмасс, оцинкованного железа, иногда латуни, меди и колеблется от 3 до 20 %.

По химическому составу  листовую обрезь делят на обрезь чистого  алюминия и обрезь алюминиевых сплавов (дуралюмин, алюминиевомарганцевый, алюминиевомагниевый, алюминиевоцинковый спдавы). Любая  обрезь часто бывает покрыта лаком  для анодирована. Такая обрезь мало окисляется при хранении.

Другая часть отходов -- обрезки профилей, труб, прутков, пресс-остатки, отходы от горячей штамповки. Этот вид  отходов обычно не содержит посторонних  примесей, кроме окиси алюминия, и представляет собой алюминии, дуралюмин, алюминиевоцинковый сплав.

Проволока поступает в  переработку в виде отходов электротехнического  производства или в виде продукта разделки проводов и кабелей. Провода  могут быть одно и многопроволочные, покрытые изоляцией и без нее. Алюминиевые провода могут иметь  сердцевину из стальной оцинкованной проволоки. Помимо лома и отходов  из листа и проката, к этому  классу сырья относят лом литья  и поковок. Литые и кованые  детали имеют разнообразный химический состав. Как правило, детали имеют  приделки из других металлов (стальные болты и шпильки, подшипники, бронзовые  втулки). Засоренность лома зависит  от тщательности разделки и колеблется от 3 до 50%.

Лом двигателей внутреннего сгорания состоит из большого количества литых и кованых деталей -- поршней, цилиндров, блоков, головок, картеров, корпусов коробок передач и т. д. Эти детали отлиты из качественных сплавов; двигатели изготавливают большими сериями, поэтому собирают крупные партии лома однородных деталей одинакового химического состава.

Более разнообразен по химическому  составу машинный лом -- детали различных  машин, приборов, приспособлений, инструмент, изготовленные из качественных и  низкокачественных сплавов [10].

Рассмотрим также способы  получения чистого алюминия:

Электролиз расплавов

Для получения расплава глинозема, имеющего высокую температуру плавления, добавляют до 8-10 % MgFy CaF^ и NaCl .Криолит получают обычно или из отходящих газов суперфосфатных заводов или кислотньм способом из плавикового шпата, серной кислоты, гидрооксида алюминия и кальцинированной соды. Он служит лишь наполнителем электролита (его до 75 %) и представляется как сплав AlFy и NaF.

Криолито-тоиноземистый  расплав можно рассматривать  как ионный раствор. Под влиянием постоянного электрического тока напряжением 4-4,% В и силой до 150000 А глинозем и криолит диссоциируют на ионы

Кислород, соединяясь с углеродом  анода, разогревает шихту 5, которая  расположена на застывшей корке 4 электролита 8. Образующиеся оксиды углерода и другие газы отсасываются из электролизера.

Рис. 2.2.2. Электролизер:

1 - корпус; 2 - футеровка; 3, 6, 10- угольные блоки; 4 - застывший  электролит; 5 - шихта; 7 и 11 - шины источника  тока; 8 — электролит; 9 - алюминий

Сам электролизер, или алюминиевая  ванна, состоит из стального корпуса 1, футерованного тепло- и электроизолирующим кирпичом 2, внутри выложен угольными блоками 3 и 10. К подовым блокам 10 подсоединен отрицательный полюс 11 источника тока, а положительный с помощью шин 7 - к угольным блокам 6. Температура электролита 8 поддерживается теплом протекающих реакций в пределах 950-970° С.

Рафинирование

Для удаления примесей алюминий, находящийся в ковше, в течение 15 мин продувают хлором, который уносит из расплава неметаллические и газовые включения. Готовый металл отстаивают в специальных печах, а затем разливают в слитки. Чистота их достигает 99,5-99,85 %А1.

Для некоторых отраслей промышленности требуется алюминий высокой степени  чистоты (свыше 99,996 % Al), что достигается дополнительным рафинированием его различными методами. Наиболее распространены электролитическое рафинирование и зонная плавка. В первом случае процесс ведут в ваннах, футерованных магнезитовым кирпичом при температуре 760-800° С. Электролит легкоплавкий. При расплавлении электролита и алюминия происходит дифференциация жидких компонентов по плотности и потенциалам: внизу (на угольной подине) располагается сплав алюминия с 25 % меди (плотность 3,% г/см^З); над ним находится слой электролита (плотность 2,7), а выше третий слой (плотность жидкого алюминия 2,3). Этот последний слой, в состав которого входят графитовые электроды, образуется рафинированным алюминием. В процессе электролиза получают продукцию, степень чистоты которой достигает 99,999 %.