Автомобильный алюминиевый лом

В обычной металлургии шихтой для производства металла является руда, которую добывают из недр земли. Эта шихта содержит минералы – химические соединения с тем металлом, который надо получить. Эта шихта также содержит химические соединения, которые не включают этот металлический элемент. Их называют пустыми породами. Кроме полезного металла эти рудные минералы содержат примесные элементы. Отделить эти примесные элементы от полезного металла является основной задачей металлургического производства.

Алюминиевая шихта

При переплаве алюминия шихта состоит из металлического лома, который находят скорее на земле, чем под землей. Однако, аналогия между этим двумя видами шихты намного больше, чем может показаться на первый взгляд. Алюминиевый лом приходит со своими «пустыми породами» в виде установленных на нем различных деталей их других материалов, а также различных покрытий. Это приводит к наличию в алюминиевой шихте большого количества примесей, которые имеют значительное влияние на процесс производства вторичных алюминиевых сплавов. Для борьбы с этими примесями при производстве вторичных алюминиевых сплавов приходится применять дополнительные технологии и процессы.

Различные алюминиевые сплавы – деформируемые и литейные – по-разному влияют на ассортимент и качество вторичных алюминиевых сплавов. Трудность переработки алюминиевых сплавов состоит в том, чтобы после переплава оставаться в пределах допусков на присутствие в сплаве различных примесных для него элементов.

В различных областях промышленности существуют многочисленные источники алюминиевого лома, который доступен для переработки. Тремя наиболее крупными источниками алюминиевого лома в мире являются транспортное машиностроение, строительство и упаковочная индустрия (таблица 1). Из-за относительно короткого срока службы алюминиевых изделий в транспорте и, особенно, в упаковке, эти два источника дают максимальное количество алюминиевого лома.

 -Таблица 1 – Применение алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении, строительстве и упаковочной промышленности [2]

Автомобильный алюминиевый лом

В автомобильной промышленности алюминий применяют для изготовления многих деталей. Распределение литого и деформируемого алюминия в типичном автомобиле показано в таблице 2 и рисунке 2. С точки зрения переплава алюминиевого лома различия между литейными и деформируемыми сплавами являются очень важными.   Дело в том, что только чисто деформируемый алюминиевый лом может быть непосредственно переплавлен снова в деформируемый алюминий.  В настоящее время единственным способом снижения уровней легирующих элементов при переплаве лома деформируемых сплавов является разбавление. Смесь деформируемого и литейного лома может быть переплавлена только в литейный сплав.

Рисунок 1 – Типичное применение алюминия в легковом автомобиле [3]

Таблица 2 – Доли литейного и деформируемого алюминия в автомобиле

Доля различных деформируемых алюминиевых сплавов в современном автомобиле в среднем составляет [1]:

• 35 %  – 6060 (0,45 % кремния – 0,2 % железа – 0,5 % магния);
• 11 % – 6082 (1,0 % кремния – 0,3 % железа – 0,7 % марганца – 0,9 % магния);
• 10 % – 3003 (0,5 % кремния – 0,5 % железа – 1,3 % марганца);
• 9 % – 5182 (0,1 % кремния – 0,2 % железа – 0,4 % марганца – 4,5 % магния);
• 14 % – 5754 (0,3 % кремния – 0,2 % железа – 0,4 % марганца – 3,2 % магния);
• 15 % – 6016 (1,25 % кремния – 0,3 % железа – 0,5 %  магния);
• 6 % – 7020 (0,2 % кремния – 0,3 % железа – 0,3 % марганца – 1,2 % магния – 4,5 % цинка).

Если эту смесь прямо, без сортировки, переплавить, то получим «сплав», который будет содержать 0,57 % кремния – 0,26 % железа – 0,32 % марганца – 1,27 % магния – 0,27 % цинка.

Содержание цинка слишком высоко для всех сплавов кроме сплавов серии 7ххх. Однако содержание кремния слишком высоко для сплавов 7ххх. Поэтому для изготовления из этого переплавленного лома любого сплава необходимо разбавлять его первичным алюминием. Если же алюминиевый лом содержит отходы и лом литейных алюминиевых сплавов, то проблема становится еще острее.

Подготовка автомобильного лома к сортировке

Figure 2-1 –  Modern End-of-Life Vehicle Dismantling and
Aluminium Recycling Process [4]

Демонтаж деталей и агрегатов

Около 95 % автомобилей перед обработкой в шредере подвергают разборке. Снимают детали, котроые можно восстановить и продать.  Обязательно удаляют опасные материалы и изделия, такие батареи, топливо, жидкости, кондиционеры. После такого демонтажа от веса автомобиля остается только 50 %.

Шреддеры

Типичный шредер применяет жернова, которые работают с мощностью 2000-6000 лошадинных сил. Они способны превратить полную загрузку за 45 секунд в куски размером не более 100 мм. Принцип работы шредера показан на рисунке 2-2.

Рисунок 2-2 – Типичный шредер – измельчитель лома [2]

Методы сортировки автомобильного алюминиевого лома

В настоящее время после обработки в шредере для сортировки материалов, содержащих алюминий, в промышленности применяют четыре основных технологии:

• магнитная сепарация
• воздушная сепарация
• сепарация вихреыми электрическими токами и
• гравитационная сепарация в жидких растоврах.

Магнтиная сепарация

После магнитной сепарации фракции, которые были получены на шредере, разделяются на  магнитные и немагнитные. Наиболее часто применяют магнитный барабанный сепаратор, который показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Магнитная сепарация автомобильного алюминиевого лома [2]

Воздушная сепарация

Немагнитые частицы, отсортированные магнитным сепаратором, многократно обрабатывают путем воздушной сепарации. Сверху конвейера работают всасывающие сопла, которые отделяют от металлов легкие неметалы, такие как пластик, резина, пены и волокна. Другим методом является элютриатор – материал пропускают через поток воздуха, направленный вверх. Оба эти метода применяют для удаления матераилов с низкой плотностью.

Сепарация вихревыми токами

Сепарация вихревыми электрическими токами обычно является третьей и последней стадией, которую применяют для материалов, прошедших шреддер. Этот метод обрабатывает материал внешним магнитным полем, который отталкивает немагнитные электрически проводящие металлические материалы. Когда этот тип частиц входит в магнитное поле, в них образуется противодействующий электрический ток, за счет которого они выталкиваются из магнитного поля (рисунок 4).

 

Рисунок 4 – Немагнитная металлическая частица в роторном магнитном поле [2]

Сепарация “утонул-всплыл”

В этом методе применяются водные растоворы с различной плотность, в которых материалы с различной плотностью (таблица 3) могут всплывать или тонуть. Обычно применяется трехступенчатый процесс с растоврами плотностью 1; 2,5 и 3,5.

Таблица 3 – Плотность различных автомобильных материалов [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лазерная спектроскопия

Для того, чтобы получить алюминиевый лом высокого качества, необходима система, которая разделяет литейные  и деформируемые алюминиевые сплавы на конкретные сплавы. Такая система должна обладать спосбностью быстро и надежно определять фактический химический состав каждого куска лома. Это привело к разработке лазерной спектроскопии (LIBS) для точной сортировки алюминевого лома на отдельные сплавы (рисунок 5).

Рисунок 5 – Сортировка алюминевого лома с применением лазерной спектроскопии [2]

Удаление покрытий с алюминевого лома

Известно несколько промышленных технологий, которые применяют для удаления покрытий с алюминиевого лома.  Все они заключаютмя в очистке алюминиевого лома после шреддера путем обработки горячми воздухом, напрмиер, в роторной печи илив слое ожиженного песка. Обработка в ожиженном песке дает самые лучшие результаты – самая чистая поверхность алюминия за самое короткое время [2].  Перед обработкой алюминевого лома для удаления краски его сортируют на крашенный и некрашенный лом (рисунок 6).
.

Рисунок 6 – Сортировка окрашенного и неокрашенного алюминиевого лома [2]

 

Разделение литейного и деформируемого алюминия

Несовместимость деформируемых и литейных сплавов

Литейные и деформируемые сплавы различных серий имеют весьма ограниченную совместимость по химическому составу.

Cплавы серий 1ххх, 2ххх и 7ххх совместимы только со сплавами собственной серии.

• Сплавы серии 3ххх имеют ограниченную совместимость с серией литейных сплавов 5хх.х, которая содержит много магния, а также марганца.
• Сплавы серии 5ххх хорошо совместимы со сплавами литейной серии 5хх.х.
• Сплавы 6ххх имеют ограниченную совместимость с литейными сплавами серий 3хх.х, 5хх.х и 4хх.х.

Для повышения эффективности разделения алюминиевого лома на отдельные алюминиевые сплавы очень важно предварительно разделить их на литейные и деформируемые. Эти две категории сплавов значительно отличаются по нескольким показателям: поверхностной текстуре, форме частиц лома и химическому составу. Хотя литейные и деформируемые сплавы содержат одни и теже легирующие элементы, их количество в литейных сплавах значительно больше. Максимальная концентрация легирующих элементов в деформируемых сплавах составляет примерно 5 %, тогда как в литейных сплавах может достигать 15 %.

Термомеханическая сепарация литейных и деформируемых сплавов

Чтобы прямо переплавить деформируемые алюминиевые сплавы без дорогостоящего химического рафинирования, они не должны быть смешаны с литейными сплавами. Благодаря физическим различиям между этими двумя группами сплавов их можно отсортировать только вручную, что является очень трудемкой операцией (рисунок 7).

Рисунок 7 – Ручная сортировка литейных и деформируемых алюминевых сплавов

Среди многих разработок для решения этой проблемы наибольшего внимания заслуживает метод термомеханической сепарации. Этот метод использует тот факт, что все литейные сплавы имеют относительно низкую температуру эвтектики. При нагреве литейных сплавов выше эвтектической температуры (520-560 ºC) они становтся хрупкими из-за межзеренного плавления в местах эвтектического химического состава. Это приводит к значительному снижению механических свойств литейных сплавов. Литейные сплавы при таких температурах при механической обработке, напрмиер, в жерновах сильно измельчаются. С другой стороны, деформируемые сплав не испытывают подобного измельчения при нагреве до 600 ºC и сохраняют свою форму в процессе механической обработки. Различие в размерах между литейными и деформируемыми сплавами можно видеть на рисунке 8. Отделение мелких кусков литейных сплавов от крупных частей деформируемых сплавов производят, например, путем просеивания [2].

Рисунок 8 – Деформируемый и литой алюминиевые сплавы после термомеханической сепарации [2]

В настоящее время в мире разрабатывают алюминиевые сплавы, которые имели более широкую совместимость для будущей их переработки. Это позволит сделать алюминиевые сплавы еще более экологически и коммерчески привлекательными.

Источники:

1.  Mark E. Schlesinger, Aluminum Recycling, 2011
2. https://www.nrcan.gc.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/mineralsmetals/pdf/mms-smm/busi-indu/rad-rad/pdf/2003-22(cf)cc-eng.pdf
3. https://aluminiuminsider.com/steel-cannot-compete-with-aluminium-in-vehicle-lightweighting/
4. Aluminium Recycling in Europe The Road to High Quality Products – EAA/OEA Recycling Division