1 (54), 2 (55), 2010 122 / Some peculiarities of technology and organization of recycling of aluminium and its alloys are examined. Analysis of peculiarities of the melting technology in rotor furnace and organization of aluminium and its alloys recycling shows that modern production provides high efficiency of the process, ensuring high quality of alloys. А. М. ГАлуШко, с. П. королЕв, одо «ЭвТЕкТикА», в. л. ТриБуШЕвский, БНТу, в. М. МихАйловский, одо «ЭвТЕкТикА», л. в. ТриБуШЕвский, БНТу, А. Г. ШЕШко, М. с. королЕв, одо «ЭвТЕкТикА» УДК 669.715:621.746 некоторые осоБенностИ технологИИ И органИзаЦИИ реЦИклИнга алюмИнИя И его сплавов В настоящее время в мировой практике обра- зовалась как самостоятельная отрасль промышлен- ности – вторичная металлургия алюминия и его сплавов. Ее целью является промышленная пере- работка алюминиевого лома и отходов на сортовые сплавы. Это связано с тем, что по сравнению с про- изводством первичного алюминия алюминиевая рециркуляция имеет существенные преимущества, которые заключаются в более низких издержках производства и в значительном снижении потре- бляемой энергии. Организация подобного производства крайне необходима в странах с развитой инфраструктурой машиностроения, автомобилестроения, тракторо- строения, приборостроения и других отраслей. К таковым относится и Республика Беларусь, в ко- торой уровень развития промышленности требует экспорта металлов, сплавов и сопутствующих ма- териалов. В то же время в республике накаплива- ется до 10–12 тыс. т в год лома и отходов только алюминиевых сплавов. Причем баланс между ку- сковым ломом и дисперсными окисленными мате- риалами (стружка, фольга и др.) находится в про- порции 70–75 и 30–25% соответственно [1]. Развитие промышленного производства предъяв- ляет к металлургии повышенные требования к каче- ству литых заготовок, поэтому простой переплав вторичного сырья становится недостаточно эффек- тивным. Проблему переработки вторичных мате- риалов необходимо решать комплексным подходом с применением прогрессивных и наукоемких техно- логий, обеспечивающих стабильно высокое качество производимых сплавов. Во многих странах уровень рециклинга алюминия и его сплавов поставлен та- ким образом, что производимые сплавы по качеству не уступают их первичным аналогам. В связи с этим естественным воспринимаются некоторые ужесточения требований по изменению технических параметров к лому и другим отходам, поступающим к переработчикам, которые нашли отражение в ГОСТ 1639-93. Прежде всего совме- щены классы А и Б (класс А – кусковые отходы, класс Б – стружка). Классы разделены на 11 групп по химическому составу и маркам сплавов. Совме- щение классов произведено с целью увеличения использования стружки для качественных сплавов. Обращает внимание повышенные требования к ме- таллургическому выходу при переплаве как куско- вого лома, так и стружки, который должен нахо- диться в пределах 96 и 75% для кускового лома соответственно 1-го и 2-го сорта. Для стружки 2-го и 3-го сорта загрязненность не должна превышать 10 и 25%. Кроме того, в данном ГОСТ (в примеча- нии) указана большая группа сплавов, сбор и заго- товка лома и отходов которых производится только по маркам. Следовательно, в современных условиях про- изводство качественного литья определяется тех- нологией и культурой сбора и сортировки и подго- товки вторичного сырья к последующей перера- ботке. Поэтому технологический цикл переработ- ки алюминиевого лома и других отходов разделен на два основных этапа: дометаллургическая под- готовка сырья; металлургический передел. Эти основные этапы связаны друг с другом. Без каче- ственного проведения первого этапа неизбежны потери во втором. На первом этапе производится сбор и сорти- ровка лома по классам и группам, что в дальней- шем упрощает управление технологией выплавки сплава нужного химического состава. Крупнога- баритный лом подвергается операции разделки 1 (54), 2 (55), 2010 / 123 с целью приведения его к соответствующей массе и размерам, пригодным для использования в име- ющихся плавильных печах. Данная операция про- изводится с использованием гильотинных ножниц, а также бензорезов, керосинорезов и автогенных аппаратов. Использование процесса шредирова- ния цветного лома должно стать обязательной опе- рацией. Наряду с отделением магнитной составля- ющей шредерная установка позволяет добиться разделения лома с чистотой фракции 99%. Алю- миниевую ленту, полосу и фольгу целесообразно брикетировать. Для переработки упаковочных ма- териалов, отходов фольги, узлов промышленной и бытовой электроники, металлопластиковых ма- териалов и других необходимо использовать тех- нологии, исключающие термическое воздействие на перерабатываемые отходы. Особое внимание уделяется подготовке струж- ки и других дисперсных окисленных отходов к плавке. Для этих целей необходимое оборудова- ние, как правило, объединяют в единый комплекс, где выполняют следующие операции: разделение сыпучей и вьюнообразной стружки, ее дробление, удаления масла и эмульсии, сушка стружки, удале- ние магнитной составляющей и сортировка по сплавам. Для удаления масла и эмульсии исполь- зуют промывку стружки, обработку сухим паром или центрифугирование. Металлургический передел следует проводить только после дометаллургической подготовки сы- рья, так как иначе не избежать больших безвоз- вратных потерь металла. Подготовленные таким образом металлосодержащие шихтовые материа- лы направляют на плавку. Одной из задач перепла- ва вторичных материалов, т. е. рециклинга алюми- нийсодержащих отходов, является максимальное извлечение металла с обеспечением необходимых технических требований. С целью определения степени извлечения ме- талла при плавке во многих странах наряду с ме- таллургическим выходом используют термин «ме- таллургическое восстановление», который опреде- ляют, как процент металла, полученный от метал- лического содержания отходов. Например, если засоренность отходов 10%, а произведенный ме- талл составляет 890 кг из 1 т металлической ших- ты, то металлургический выход составляет 89% (890/1000), при этом металлургическое восстанов- ление находится на уровне 98,9% (890/900). Во вторичной металлургии алюминия данные терми- ны имеют крайне важное значение. Это обстоя- тельство необходимо учитывать при переработке дисперсных отходов, имеющих высокое отноше- ние площади поверхности к объему или массе ча- стиц. Более полное извлечение металла осущест- вляют путем правильного выбора технологии ме- таллургического передела и грамотного подбора флюса. Согласно ГОСТ 28053-89, для определения ме- таллургического выхода из стружки алюминия ре- комендуется использовать флюс из NaCl и KCl в соотношении 1:1. Однако применение этого флю- са на практике показало, что значительная часть ко- рольков металла находится во флюсе и затем удаля- ется вместе со шлаком. Как видно из рис. 1, только капельки размером более 5 мм переходят из флюса в расплав, а корольки меньшего диаметра не имеют достаточной энергии для этого. Подобное явление отмечено в работе [2]. Известно, что двойной флюс в практике литейного производства используют толь- ко в качестве покровного, так как он хорошо смачива- ет расплав алюминия и его оксид [3]. Следовательно, рекомендуемый ГОСТ 28053-89 флюс, определяю- щий металлургический выход алюминия из струж- ки, является неоптимальным. Важно, чтобы в состав флюса входили компоненты, к которым оксиды и другие твердые включения, находящиеся в распла- ве, обладали бы высокой работой адгезии [4]. Схема физической модели удаления оксидов и неметалли- ческих включений приведена на рис. 2. Как правило, в качестве одного из таких ком- понентов флюса используется криолит. Из теории металлургии алюминия следует, что криолит рас- творяет глинозем и имеет пониженные значения смачиваемости алюминия [5]. Из практики литья алюминиевых сплавов известно, что криолит рас- творяет оксид алюминия, однако этот процесс до- статочно сложен. Количество растворенного окси- да алюминия составляет небольшую величину. Ра- финирующее действие флюса, содержащего крио- лит, определяется адсорбционными способностями Na3AlF6. Смачивающую и растворяющую роль флюса по отношению к Al2O3 повышает также CaF2, который вводится в состав флюса, как пра- вило, в количестве 3–5%. Рис. 1. Зависимость распределения корольков алюминия в шлаке от диаметра 1 (54), 2 (55), 2010 124 / Важным техническим этапом переработки вто- ричных ресурсов является выбор плавильного агрегата, определяющий технологический регла- мент всего процесса рециклинга вторичных мате- риалов. Надежность технологии плавки, операций рафинирования, дегазации, фильтрования распла- ва в сочетании с оптимальной скоростью расплав- ления позволяют получать максимально положи- тельные результаты при переработке разнообразных шихтовых материалов. Учитывая необходимость обеспечения максимального металлургического выхода, приближающегося к металлургическому восстановлению и получения высокого качества выплавляемого сплава, плавку проводят дуплекс- процессом: плавильная печь – миксер. В пла- вильной печи должно осуществляться макси- мальное извлечение металла из шихты. Миксер используется для доводки сплавов до требуемых параметров согласно существующим ГОСТ на отливки. Плавку вторичных алюминиевых материалов проводят в стационарных камерных печах с элек- тро- или газовым обогревом, индукционных ти- гельных печах, стационарных печах с МГД-устрой- ствами и установками типа «LOTUS» для механи- ческой загрузки шихтовых материалов под зерка- ло металла, роторных печах с горизонтальной и наклонной осью вращения [6]. В передовых европейских странах широкое распространение получили роторные (барабан- ные) плавильные печи с наклонной осью враще- ния для переработки отходов цветных металлов в качестве первичных плавильных агрегатов (рис. 3). Вследствие вращения корпуса печи дисперс- ные отходы алюминия практически сразу после загрузки покрываются слоем жидкого металла и флюса, что позволяет минимизировать безвоз- вратные потери сплава. В Республике Беларусь пер- вой была запущена и по настоящее время успешно работает короткопламенная роторная печь, создан- ная специалистами ООО «НПФ Металлон» (г. Оси- повичи) [7]. Эффективность процесса переработки алюми- нийсодержащих вторичных материалов в ротор- ных печах обеспечивается возможностью управ- лять механизмом шлакообразования, растворения оксидной плены, каплеобразования алюминиевого сплава, т. е. способностью максимально прибли- зить металлургический выход к металлургическо- му восстановлению. Основная роль в этих процес- сах – правильный выбор флюса. Для увеличения металлургического выхода при плавке необходимо Рис. 2. Схема взаимодействия флюса при обработке жидкого расплава: а – засыпка флюса на поверхность жидкого металла; б – взаимодействие флюса и расплава; в – завершение работы флюса 1 (54), 2 (55), 2010 / 125 подобрать компонентный состав флюса таким об- разом, чтобы при взаимодействии с расплавом он переходил в жидкое состояние, а затем продукты реакции становились сыпучими, свободными от капелек металла и легкоскачиваемыми с зеркала жидкого сплава. Для осуществления операции обработки распла- ва либо создают участки по приготовлению флюсов (рафинирующих, покровных, модифицирующих и т. д.), либо приобретают необходимые препараты у специализированных производителей, таких, как научно-производственное предприятие ОДО «Эвтек- тика» (г. Минск), выпускающее высокоэффективные материалы, более 40 наименований флюсов, табле- тированных препаратов, технологических покрытий, смазок, красок, модификаторов и т. д., которые по- требляются ведущими заводами Российской Феде- рации, Украины, Беларуси и дальнего зарубежья. а б в г Рис. 3. Схема процесса плавки Al-содержащих отходов в роторной печи с наклонной осью вращения: а – начало плавки (флюс и крупногабаритная шихта; б – введение стружки, шлака или других дисперсных отходов; в – стадия доводки распла- ва по температуре перед выпуском, адсорбация флюсом неметаллических включений; г – расплав готов к выпуску Рис. 4. Плавка алюминийсодержащих отходов в роторной печи: а – начало плавки; б – окончание плавки 1 (54), 2 (55), 2010 126 / Исследования протекания встречных химиче- ских реакции при обработке расплава алюминия различными рафинирующими веществами позво- лили определить оптимальный компонентный со- став соединений для создания флюсовой компози- ции. Вместе с тем, учитывая способность криолита увеличивать вязкость флюса, а также провоциро- вать самовозгорание шлаковой фазы, в компонент- ный состав флюсовой композиции вводили ве- щества, стабилизирующие его негативные факто- ры [8]. Практическая отработка технологического ре- гламента плавки в роторной печи и флюсовая об- работка расплава проводились в рамках сотрудни- чества с одним из известнейших производителей в Западной Европе качественных вторичных алю- миниевых сплавов METALL WERKE BENDER (Германия) (рис. 4, а, б) и предприятием в поселке Алексеевка Самарской обл., входящим в компанию «РУСАЛ» (Россия). Доводку сплава до требуемого химического со- става, рафинирование от твердых неметалличе- ских включений и газов, а также модифицирова- ние при необходимости проводили в миксере. По- сле доводки сплав, отвечающий требованиям ГОСТ или другого нормативного документа, направляли на разливку. Разработанный регламент переработки вторич- ных отходов на основе алюминия показал свою эффективность в условиях современного произ- водства и обеспечил высокое качество сплавов, достигнув значительной экономии энергоресурсов, времени плавки и, как результат, повышение про- изводительности труда и снижение себестоимости продукции. Полученные результаты раскрывают перспективу освоения технологических процессов переплава отходов алюминия в роторных печах с использованием «Композиции флюсовой ком- плексной» ТУ РБ 100354447.055-2004, позволяю- щей удешевлять стоимость качественных сплавов и металлопродукции в целом, что особенно важно в сегодняшней экономической ситуации. Технологическая схема-алгоритм процесса реци- клинга алюминия и его сплавов приведена на рис. 5. На рисунке показано движение алюминийсо- держащего сырья на двух основных этапах (доме- таллургическая подготовка сырья и металлургиче- ский передел). Естественно, что данное производ- ство должно включать соответствующие участки переработки отходов, снабженные системой газо- очистки. С учетом разделения процесса рециклинга алюминия на два этапа его дометаллургическую подготовку производят на участке разделки и сор- тировки. Затем более чистый по алюминию лом направляют на участок плавки, оснащенный ро- торной печью. Неразделанный лом с железными приделками подвергают переплаву в оплавочной печи. Как правило, оплавочная печь по вместимо- сти значительно меньше основного плавильного агрегата. На заключительных стадиях металлургическо- го передела из плавильных печей металл направ- ляют в миксер, в котором выполняют операции по доводке до требуемого химического состава, ра- финированию и модифицированию алюминиевого расплава. Химический состав корректируют с по- мощью лигатур. На практике широко используют следующие лигатуры на алюминиевой основе: Al–Cu, Al–Mn, Al–Si, Al–Ni и др. Содержание ле- гирующих элементов в них составляет 30–50, 7–12, 18–20, 6–10% соответственно. При органи- зации производства лигатур в условиях дейст- вующего производства их готовят, как правило, в электрических индукционных тигельных печах. Возможно использование таблетированных смесе- вых композиций типа Fe–Al, Mn–Al, Cu–Al. Для рафинирования расплава обязательна флю- совая обработка, продувка металла инертным га- зом – аргоном или азотом. Разливку готового (со- ртового) сплава целесообразно проводить через керамические, пенокерамические или стеклово- локнистые фильтры. Анализ особенностей технологии плавки в ро- торной печи и организации рециклинга алюминия и его сплавов показывает, что современное произ- водство обеспечивает высокую эффективность про- цесса, гарантируя высокое качество сплавов при экономии энергоресурсов и снижении себестоимо- Рис. 5. Технологическая схема-алгоритм процесса реци- клинга алюминия и его сплавов 1 (54), 2 (55), 2010 / 127 сти продукции. Однако рециклинг алюминия вы- двигает определенные требования к пониманию физико-химических процессов, протекающих при плавке. ОДО «Эвтектика» накопила определенный опыт работы с аналогичным производством на предпри- ятиях Германии, Украины, России и наряду с по- ставкой рафинирующих, модифицирующих и дру- гих препаратов приглашает к конструктивному со- трудничеству и окажет техническую и технологи- ческую помощь в усовершенствовании процесса рециклинга алюминия в роторных печах для по- лучения максимально эффективного результата в производстве. Литература 1. Д о в н а р Г. В., А н д р и ц А. А., С т е п а н ю к А. Н. Структура и анализ сырьевой базы цветных металлов Республи- ки Беларусь // Литье и металлургия. 2005. № 2. Ч. 1. С. 124–126. 2. А н д р и ц А. А. Металлургическая переработка неразделанного лома и дисперсных отходов на основе алюминия: Дис. ... канд. тех. наук. Мн., 19 с. 3. К у р д ю м о в А. В., П и к у н о в М. В., Ч у р с и н В. М., Б и б и к о в Е. Л. Производство отливок из сплавов цветных металлов. М.: МИСИС, 1996. 4. Ч у р с и н В. М., Б и д у л я П. Н. Технология цветного литья. М.: Металлургия, 1967. 5. С е в р ю к о в Н. М. Металлургия цветных металлов. М.: Металлургия, 1969. 6. Ф о м и н Б. А., М о с к в и т и н В. И., М а х о в С. В. Металлургия вторичного алюминия. М.: Экомет, 2004. 7. Пат. 3717С1ВУ: МКИ С22С1/02. Способ выплавки алюминиевых сплавов / С. Н. Леках, В. Л. Трибушевский, В. А. Шейнерт, С. Е. Шуранков, 2000. 8. Д в о р н и к о в Н. А., Н о в и ч к о в С. Б. Моделирование химических процессов при взаимодействии алюминия с окислами шихты и флюсом // Цветная металлургия. 2004. № 1. С. 14–20.