CC BY
32
Ш FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
I 3 (92), 2018-
УДК 621.745.56
DOI: 10.21122/1683-6065-2018-92-3-118-124
Поступила 28.07.2018 Received 28.07.2018
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЯ НА СОСТАВ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПЫЛИ
Л. В. ТРИБУШЕВСКИЙ, Б. М. НЕМЕНЕНОК, Г. А. РУМЯНЦЕВА, Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Беларусь, пр. Независимости, 65. E-mail: nemenenok@tut.by
Проведен анализ влияния технологии плавки отходов алюминия в короткопламенной роторной печи (КПРП) на количество и состав пылегазовых выбросов.
Показано, что количество флюса, используемого при плавке, существенно влияет на состав и объем пылегазовых выбросов. На основании результатов химического анализа пыли принято решение о безфлюсовой плавке отходов алюминия. В этом случае доля хлорсодержащих соединений составляет 1,4% при 75% оксидов алюминия, что позволяет использовать образующуюся пыль при получении раскислительной смеси или разжижителя рафинировочного шлака. На основании балансовых плавок показано, что при безфлюсовой плавке отходов алюминия реализуется безотходная технология переработки, обеспечивающая получение экологического и экономического эффекта.
Ключевые слова. Отходы алюминия, пыль, хлориды, оксид алюминия, безотходная технология, экология. Для цитирования. Трибушевский Л. В., Немененок Б. М., Румянцева Г. А. Влияние технологии плавки отходов алюминия на состав и возможность использования образующейся пыли // Литье и металлургия. 2018. Т. 92. № 3. С. 118-124. DOI: 10.21122/1683-6065-2018-92-3-118-124.
INFLUENCE OF THE TECHNOLOGY OF ALUMINUM WASTE MELTING ON THE COMPOSITION AND THE POSSIBILITY OF USING THE GENERATED DUST
L. V. TRIBUSHEVSKIY, B. M. NEMENENOK, G. A. RUMIANTSEVA, Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus, 65, Nezavisimosti ave. E-mail: nemenenok@tut.by
The influence of technology of aluminum waste melting in a short-rotary furnace (SRF) on the amount and composition of dust and gas emissions is analyzed.
It is shown that the amount offlux used in melting significantly influences the composition and volume of dust and gas emissions. Based on the results of the chemical analysis of dust a solution was adopted for the fluxless melting of aluminum waste. In this case, the proportion of chlorine-containing compounds is 1.4% at 75% of aluminum oxides, which makes it possible to use the formed dust to produce a deoxidizing mixture or a refiner slag. On the basis of balance melting, it is shown that with fluxless melting of aluminum waste, a waste-free processing technology is realized, ensuring ecological and economic effects.
Keywords. Aluminum waste, dust, chlorides, aluminum oxide, wasteless technology, ecology.
For citation. Tribushevskiy L. V., Nemenenok B. M., Rumiantseva G. A. Influence of the technology of aluminum waste melting on the composition and the possibility of using the generated dust. Foundry production and metallurgy, 2018, vol. 92, no. 3, pp. 118-124. DOI: 10.21122/1683-6065-2018-92-3-118-124.
В качестве основного оборудования для исследования была выбрана короткопламенная роторная печь (КПРП), работающая на плавильном участке Научно-производственной фирмы «Металлон» (г. Осиповичи).
Изучение процессов пылегазообразования при плавке отходов алюминия в КПРП представляет экологический и экономический интерес как в плане разработки мероприятий по защите окружающей среды, так и решения вопросов экологического налогооблажения и дальнейшего использования уловленной пыли.
На первом этапе исследований в качестве компонентов шихты использовали алюминиевые шлаки, сливы, спрессованные банки из-под напитков, алюминиевую стружку, роллеты и другой низкосортный лом, которые загружали совместно с 8% покровного флюса.
А КГГ^ К 0ГГГКfi /HQ
-3 (92), 2018/ llv
в г
Рис. 1. Набор оборудования для определения пылегазовых выбросов при плавке отходов алюминия в КПРП: а - аспиратор ОП 221 ТЦ; б - пневмометрическая трубка с микроманометром; в - электронный газоанализатор MSI 150 «EURO» с зондом;
г - пробоотборник с комплектом фильтров
В газоходе от боровов перед циклоном в течение всей плавки отбирали пробы пыли в отходящих газах и определяли содержание в них СО, NO и NOx с помощью электронного газоанализатора MSI 150 «EURO».
Набор необходимого оборудования, используемого при определении пылегазовых выбросов от ко-роткопламенной роторной печи, показан на рис 1.
Концентрации анализируемых газов во время плавки имели резкие перепады, что вызвано периодической разгерметизацией печи для загрузки в нее переплавляемых шлаков. Диапазон изменения концентрации СО составлял 28-2520 ррт, а для NOX - 13-35 ррт. При этом содержание N0 в отходящих газах не превышало 33 ррт.
Максимальные пиковые выбросы пыли были характерны для начального периода плавки и ее заключительной стадии. Первые пики запыленности отходящих газов связаны с воспламенением и сгоранием лакокрасочных покрытий на банках из-под напитков, краски на роллетах и загрязнений в виде масел и СОЖ на алюминиевой стружке. Длительность этого периода составляла 5-7 мин при максимальной запыленности 1,52 г/м3. Во время плавки запыленность дымовых газов составляла 0,14-0,16 г/м3. Второй пик выбросов пыли характерен для заключительного этапа плавки, когда с поверхности расплава удаляется сухой шлак в изложницу или контейнер. По продолжительности он составляет 3-5 мин при запыленности отходящих газов 0,93-0,95 г/м3. Следует также учитывать, что общая запыленность будет превышать расчетные значения, поскольку часть частиц, особенно крупных, может огибать пробоотборник и не осаждаться на фильтре. Поэтому для более детального анализа образующейся пыли исследовали ее частицы, отобранные из циклона в конце плавки.
На рис. 2 приведены фотографии частиц пыли, полученные на сканирующем электронном микроскопе VEGA- II LMU.
в г
Рис. 2. Электронное изображение частиц пыли, отобранных из циклона при плавке в КПРП (а) и частицы, выбранные для
анализа энергетических спектров (б-г)
Как следует из рисунка, частицы пыли отличаются по размерам и цвету, что, очевидно, является признаком их разного химического состава. Для определения химического состава частиц пыли анализировали энергетические спектры рентгенофлуоресцентного излучения элементов, входящих в состав пыли для 10 частиц.
На рис. 3 показаны энергетические спектры частиц пыли, обозначенных на рис. 2 под номерами 2, 3, 7. Развернутый химический состав исследованных частиц пыли и их размеры приведены в табл. 1. Из таблицы видно, что химический состав частиц пыли представлен широкой гаммой элементов как входящих в состав переплавляемых отходов алюминиевых сплавов, так и содержащихся в используемых флюсах.
Таблица 1. Химический состав и размер отдельных частиц пыли, отобранной из циклона
от короткопламенной роторной печи
Номер частицы Содержание элементов, мас.% Средний размер частиц, мкм
C O Al Na K Ca Cl F Si Mg Fe Zn Прочие элементы
1 - 37,64 7,05 1,21 1,52 5,49 0,28 - 0,25 0,81 12,40 2,07 29,81 Тц 1,46 Сг 250
2 5,84 8,68 70,66 0,21 0,12 - 0,23 - 10,39 - 1,56 0,78 0,59 Мп; 0,93 Си 260
3 27,47 37,10 18,65 2,96 2,10 1,31 5,34 3,44 0,22 1,09 - - 0,31 Р 340
4 22,92 36,85 24,91 3,18 1,17 1,88 5,54 1,87 0,36 0,94 0,38 - - 190
5 7,32 20,58 68,61 0,66 0,28 - 0,30 1,31 0,29 - 0,57 - 0,08 Р 168
6 12,79 35,16 30,62 6,62 1,78 0,60 9,06 3,39 - 0,30 - - - 95
7 1,34 31,19 43,37 0,64 0,10 0,34 0,71 - 0,68 1,98 0,24 - 19,41 N 205
8 8,37 14,49 63,99 0,24 0,10 - 0,49 0,70 8,20 0,79 0,85 0,95 0,82 Си 168
9 7,02 13,69 65,04 1,04 0,48 0,39 - 1,38 0,43 2,36 0,29 - 0,17 Тц 7,71 N 135
10 13,20 32,38 40,87 1,66 0,21 0,71 1,52 - 2,15 1,20 0,96 4,56 0,38 Си; 0,11 Р; 0,08 S 145
Ё г: ГГ^ К ГСШТМЭТГГС гт
3 (92), 2018
/121
3 > ЖЬ*
0 12 3
Полная шкала 10324 имп. Курсор: 0.000
Рис. 3. Энергетические спектры рентгенофлуоресцентного излучения элементов от частиц пыли № 2 (а), № 3 (б), № 7 (
а
б
в
Присутствие углерода в составе частиц пыли, очевидно, связано с образованием сажистого углерода на их поверхности из-за разложения СО, неполного сгорания углеводородов жидкого топлива и образованием карбидов алюминия [1]. Наличие натрия, калия, кальция, хлора и фтора можно объяснить использованием покровного флюса, содержащего №С1, КС1 и CaF2. Присутствие Si, Mg, Fe, 2п, Т^ Мп, Си в составе частиц пыли связано с химическим составом переплавляемых отходов алюминия. Такие элементы, как сера и фосфор, могли оказаться в циклоне благодаря сгоранию остатков лакокрасочных покрытий и смазочных материалов. Соединения азота, присутствующие в частицах пыли, очевидно, соответствуют нитриду алюминия, образование которого возможно при плавке алюминия в пламенных печах [1, 2].
Содержание алюминия в анализируемых частицах колеблется от 7,05 до 70,66%, а концентрация кислорода изменяется от 8,68 до 37,64%, что связано с образованием широкой гаммы оксидных соединений. Размерный диапазон частиц пыли изменяется от 95 до 340 мкм и может включать отдельные частицы размером более 600 мкм [3].
При проведении опытных плавок с небольшими добавками покровно-рафинирующего флюса поверхность расплава покрывали слоем шлака из смеси хлоридов и оксидов, из которых в результате механического перемешивания при вращении печи образовывались сухие комочки (окатыши), не смачиваемые расплавом и легко уносимые отходящими газами. В результате анализа осевшей в дымоотводящей системе и циклоне пыли установлено наличие в ней шпинели, корунда, карбидных соединений, нитрида алюминия и хлоридов щелочных металлов, что хорошо согласуется с данными работ [1, 2].
На втором этапе исследовали состав пыли при плавке стружки с использованием жидкого флюса. В процессе плавки первоначально загружали флюс в количестве 40% от массы переплавляемой стружки, а после его расплавления и образования жидкой флюсовой ванны загружали порциями стружку. В результате вращения печи стружку замешивали в флюсовой расплав, при этом запыленность в газоходе не превышала 0,09 г/м3 при повышенных концентрациях хлоридов в газоходе от боровов. Для анализа потерь шихтовых материалов в виде мелкой пыли отбирали пробы пыли из циклона. Результаты микро-рентгеноспектрального анализа приведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты анализа химического состава пыли, отобранной из циклона, при плавке алюминиевой стружки с использованием 40% флюса
Номер пробы Содержание элементов, мас.%
O F Cl Na K Mg Al Si C
1 14,96 8,89 32,56 18,14 9,29 0,58 3,00 0,48 12,10
2 16,30 9,46 31,96 17,48 9,36 0,25 2,88 0,34 11,97
3 14,26 8,76 33,06 17,69 9,84 0,53 2,78 0,50 12,58
4 13,62 7,98 34,46 18,02 10,18 0,62 2,24 0,36 12,52
5 15,53 9,23 32,71 17,76 9,39 0,59 2,34 0,38 12,07
Среднее 14,93 8,86 32,95 17,82 9,62 0,52 2,65 0,41 12,24
Из таблицы следует, что пыль содержит в своем составе вдвое меньшее количество компонентов и является более стабильной. Это объясняется отсутствием прямого контакта металла с факелом пламени и атмосферой печи, что исключало интенсивное окисление компонентов сплава, разрушение хрупких оксидных плен и унос их отходящими газами. Основную массу пыли составляли частицы NaCl и KCl, являющиеся основой флюса и обладающие высокой летучестью [4]. Характерная особенность пылевых отходов при такой технологии плавки - низкое содержание в них алюминия (менее 3%) при значительных концентрациях хлора и фтора (в сумме около 40%) [3]. Такой состав пыли практически исключает возможность ее дальнейшего использования и возникает необходимость переработки или захоронения значительных объемов солевых шлаков с уплатой соответствующего экологического налога.
Поэтому в дальнейших исследованиях основной упор был сделан на безфлюсовую плавку, особенно при переплаве алюминиевых шлаков или их просева. Принимая данное решение, исходили из соображения, что такие материалы еще содержат некоторое количество остатков флюсов, которого достаточно для разрушения оксидной пленки на корольках алюминия. Это необходимо для формирования бассейна из капель жидкого алюминия.
Результаты фазового анализа образцов пыли из циклона при безфлюсовой плавке приведены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты фазового анализа образцов пыли при безфлюсовой плавке, полученные на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3
Фаза Al AI2O3 Al2,144O3,2 Mg0,388Al2,408O4 Al2O AI2O3 Al5SiO95 KAlSi3O8 CaAl4O7 Na0,3835K0,6165Cl
Номер карточки из базы данных 4-787 78-2426 79-1558 76-306 75-277 71-1128 88-2049 72-77 76-706 75-299
Концентрация, % 12,2 36,8 5,7 4,9 21,7 10,4 3,9 1,9 1,1 1,4
Как следует из таблицы, в пыли циклона при таком варианте плавки преобладают оксиды алюминия различных форм с общей концентрацией около 75 %, шпинели, содержащие в своем составе оксиды алюминия (~12 %) и 12 % чистого алюминия. Образование субоксида алюминия (А^О) характерно для плавки алюминия без покровного флюса в пламенных печах [5]. Следует отметить, что на долю хлорсо-держащих соединений приходится только 1,4 %. Такой состав отходов позволяет использовать их при производстве раскислительных смесей для внепечной обработки стали или разжижителей рафинировочных шлаков.
_А кгге г: Г^ГШ?ГГКГ] /190
-3 (92), 2018 / ■ ^ и
Для оценки распределения материалов по ходу плавки в КПРП проводили 16 опытных плавок с определением их материального баланса. Для этого взвешивали все компоненты шихты и полученные продукты в виде расплава, вторичного шлака и пыли, осевшей в циклоне.
Металлозавалка каждой плавки состояла из 250 кг роллет, 200 кг пробки, 70 кг просева шлака и 6070 кг лома из алюминиевых радиаторов и конденсаторов. Общая масса шихты составляла 580-590 кг. Перед проведением балансовых плавок циклон полностью очищали от пыли, а после окончания серии балансовых плавок всю собравшуюся в циклоне пыль извлекали и взвешивали. Общая масса пыли по итогам 16 плавок составила 496 кг или в среднем 31 кг на плавку. Большие объемы образующейся пыли (примерно 31 кг на плавку) связаны с особенностями конструкции КПРП, характеризующейся прямоточным движением горячих газов с высокой скоростью в рабочем пространстве печи. Это и обусловливает существенные потери шихты с развитой поверхностью во время плавки. Результаты балансовых плавок приведены в табл. 4.
Таблица 4. Результаты балансовых плавок в короткопламенной роторной печи
Номер плавки Масса компонентов шихты, кг Масса шихты, кг Масса продуктов плавки, кг
роллета пробка просев шлака лом металл шлак пыль всего
1 250 200 70 70 590 339 235 31 605
2 250 200 70 70 590 362 243 31 636
3 250 200 70 70 590 376 230 31 637
4 250 200 70 70 590 366 236 31 633
5 250 200 70 70 590 322 204 31 557
6 250 200 70 70 590 387 162 31 580
7 250 200 70 70 590 349 177 31 557
8 250 200 70 70 590 340 193 31 564
9 250 200 70 70 590 345 212 31 588
10 250 200 70 70 590 349 203 31 583
11 250 200 70 70 590 335 221 31 587
12 250 200 70 70 590 348 201 31 580
13 250 200 70 60 580 364 196 31 591
14 250 200 70 60 580 330 214 31 575
15 250 200 70 60 580 352 172 31 555
16 250 200 70 60 580 349 182 31 562
Средн. 587,5 350,8 205 31 586,87
Из таблицы следует, что для некоторых плавок масса полученных продуктов превышает массу исходных материалов, хотя средние значения загруженных и полученных материалов по 16 плавкам практически совпадают. Причину превышения массы конечных продуктов по отдельным плавкам над массой исходной шихты можно, очевидно, объяснить частичным зависанием шлака в виде настылей на футеровке печи по ходу плавки и последующим их смыванием во время следующих плавок. Это в итоге и обеспечило изменение металлургического выхода в диапазоне 55-64 %.
Анализ химического состава образовавшегося шлака показал, что остаточное содержание корольков алюминия в нем составляет 9-11%, а основным компонентом является А^Оз, доля которого колеблется в пределах 69-74%. В меньшей степени представлены оксиды магния, кремния, железа, щелочных металлов.
Таким образом, вторичный шлак и пыль, образующиеся при безфлюсовой плавке отходов алюминия в КПРП, являются подходящими компонентами для раскислительной смеси или разжижителей рафинировочного шлака. При этом масса используемых продуктов плавки (расплав+шлак+пыль) составляет 99,89% от массы загружаемой шихты, что позволяет отнести данную технологию переработки отходов алюминия к безотходной, обеспечивающей экономический и экологический эффект. В этом случае полностью реализуется концепция академика И. П. Бардина, когда отходы одного производства являются сырьем для другого производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Повышение экологической безопасности процессов плавки и рафинирования алюминиевых сплавов / С. П. Задруцкий [и др.]. Минск: БНТУ, 2012. 231 с.
2. Шмитц К. Рециклинг алюминия. Справ. руковод. / К. Шмитц, Й. Домагала, П. Хааг. М.: Алюсил МВиТ, 2008. 528 с.
3. Пылегазовые выбросы при плавке алюминиевых отходов в короткопламенной роторной печи / Б. М. Немененок [и др.] // Металлургия машиностроения. 2010. № 1. С. 15-19.
4 . Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов / А. В. Курдюмов [и др.]. М.: Металлургия, 1980. 196 с.
5 . Фомин Б. А. Металлургия вторичного алюминия / Б. А. Фомин, В. И. Москвин, С. В. Махов. М.: ЭКОМЕТ, 2004. 240 с.
REFERENCES
1. Zadrutskiy S. P., Nemenenok B. M., Rumyantseva G. A., Sletova N. V. Povyshenie ekologicheskoy bezopasnosti protsesov plavki i rafinirovaniya alyuminievykh splavov [Increase of ecological safety of processes of melting and refining of aluminum alloys]. Minsk, BNTU Publ., 2012. 231 p.
2 . Shmitc K., Domagala J., Haag P. Reciklingalyuminija [Recycling of aluminum]. Moscow, Aljusil MViT Publ., 2008. 528 p.
3. Nemenenok B. M., Rumyantseva G. A., Tribushevskiy L. V., Zadrutskiy S. P. Pylegazovye vybrosy pri plavke alyuminievykh otkhodov v korotkoplamennoy rotornoy pechi [Dust emissions of aluminum waste melting in a short-rotary furnace]. Lit'e i metallurgija = Foundry production and metallurgy, 2010, no 1, pp. 15-19.
4 . Kurdyumov A. V., Inkin S. V., Chulkov V. S., Grafas N. I. Flyusovay obrabotka ifil'trovanie alyuminievykh rasplavov [Flux processing and filtration of aluminum melts]. Moscow, Metallurgija Publ., 1980. 196 p.
5 . Fomin B. A., Moskvin V. I., Makhov S. V. Metallurgiya vtorichnogoalyuminiya [Metallurgy of secondary aluminum]. Moscow, Ekomet Publ., 2004. 240 p.
