Алюминиевый шлак: проблемы и решения

Шлак – это поверхностный слой на металлическом расплаве, который имеет высокое содержание оксидов.
Шлак образуется на поверхности расплавов в результате взаимодействия с газами воздуха, в основном, с кислородом.
Шлак представляет собой физическую смесь оксидов и других твердых соединений, а также расплавленного металла, который находится внутри их.
Шлак, который образуется на поверхности алюминиевого расплава, является неизбежным побочным продуктом.
Шлак – это «пена на расплавленном металле» [1].

Что такое алюминиевый шлак

Алюминиевый шлак является источником проблем во всех производствах, которые занимаются плавлением алюминия и алюминиевых сплавов. В твердом виде шлак тем более нежелателен, так как является ценной побочной продукцией, от которой сильно зависит рентабельность производственных операций.

Это объясняется тем, что шлак кроме оксидов часто содержит большое количество годного металлического алюминия, который захвачен этими оксидами (рисунок 1). Если не принять должных мер по предотвращению чрезмерного образования шлака, а также максимального извлечения из него металлического алюминия, то это может привести к значительным потерям потенциально годного металла.

Рисунок 1 – Вид алюминиевого шлака с высоким содержанием алюминия
под электронным микроскопом [2]

Влияние технологии плавления на образование шлака

Подавляющая доля алюминия плавиться в газовых отражательных печах (рисунок 2). Для этих печей характерны следующие технологические факторы, которые оказывают большое влияние на технологические потери металла в печи.

Рисунок 2 – Поперечное сечение отражательной плавильной печи:
1) передача тепла поверхности расплава излучением;
2) передача тепла вглубь расплава конвекцией [3]

Соотношение газ/воздух на газовых горелках

Первым фактором является соотношение «газ/воздух» на газовых горелках. Чрезмерная подача воздуха приводит повышенной скорости образования шлака, если в результате какого-либо движения поверхности расплава возникает свежая алюминиевая поверхность. Ситуация усугубляется, если горелки «бьют» прямо по поверхности расплава или по алюминиевой шихте.

Температура выдержки расплава

Вторым, и также важным фактором, является температура выдержки расплава после расплавления. Повышение температуры только на 25-55 ºС может оказывать весьма большое влияние (рисунок 3).

Рисунок 3 Логарифмический рост скорости окисления алюминия
при повышении температуры выдержки (в процентах) [1]

Нужно иметь в виду, что термопары в ванне с расплавленным алюминием в действительности измеряют температуру в глубине ванны. Невозможно измерить температуру непосредственно на самой верхней поверхности, которая может быть значительно горячее, чем температура в глубине расплава. Следовательно, высокая температура, которая показана на рисунке 1, может быть достигнута на поверхности расплава. Это даст резкий рост окисления алюминия, что, в результате, приведет к увеличению толщины слоя шлака.

Толщина слоя шлака

Чрезмерная толщина слоя шлака над расплавом может оказывать теплоизоляционный эффект и вызывать повышенный режим работы горелок, чтобы поддерживать заданную температуру расплава. При этом температура в слое шлака повышается и, соответственно, повышается скорость окисления металла, который поступает в шлак с поверхности расплава. В результате происходит логарифмическое повышение потери металла при плавлении. Влияние повышения толщины шлака на скорость плавления показано на рисунке 4, что подтверждается большинством плавильщиков алюминия.

По этой причине в плавильных печах обычно не допускают толщину шлака на поверхности расплава более 40 мм.

Рисунок 4 – Влияние толщины слоя шлака на снижение скорости плавления отражательной плавильной печи (в процентах) [1]

Обычно температура слоя шлака примерно на 50-85 ºС выше, чем температура расплава. Поэтому высокая температура расплава вызывает риск воспламенения шлака и спонтанного горения металлического алюминия. Эта термитная реакция может вызывать серьезные последствия. Если допустить развитие этой реакции, то температура в печи может превысить 1650 ºС, что может привести к расплавлению огнеупорной футеровки и полному выходу печи из строя.

Загрузка легковесного лома

Загрузка легковесного лома в непосредственно в расплав отражательных печей ванного типа может быть источником дополнительного повышенного роста плавильных потерь металла. Это случается, если шлак, который образовался на поверхности расплава, затем подвергается прямому воздействию пламени горелок. Этот шлак является «жидкой» смесью оксидов и захваченного шлаком металла. Он может содержать до 80 или даже 90 % годного металла. Если быстро не удалить этот шлак с поверхности или не обработать его флюсом для отделения металл от оксидов и загрязнений, то этот металл, будет быстро окисляться и это приведет к дополнительной потере годного металла.

Перемешивание расплава

Для снижения образования шлака на поверхности расплава важны не только тщательный контроль операций загрузки шихты и контроль температуры, но также создание условий для лучшей передачи тепла расплаву. При снижении температуры поверхности расплава возрастает разность температуры между источником тепла и расплавом, что обеспечивает более высокую скорость передачи тепла и, следовательно, более быстрое плавление. Этому способствует: 1) правильное соотношение газ/воздух на горелках и 2) перемешивание расплава. Это дает возможность теплу от лучевой энергии свода и стен более эффективно попадать на поверхность расплава и распространяться в его глубину.

Съем шлака

Печи с сухим подом свободны от некоторых из этих проблем, так как поверхностные оксиды из шихты остаются на наклонном поде, а расплавленный алюминий стекает в печь. Если мокрый или загрязненный маслом алюминиевый лом загружают на наклонный под, то он не создает тех проблем, которые возникают при прямой его загрузке в расплав. Однако, на наклонном поде быстро скапливаются оксиды, которые могут затруднять стекание расплавленного алюминия. Поэтому эти накопления оксидов нужно регулярно счищать.

Съем шлака должен производится при необходимости, обычно один раз в смену, если не образуется так называемый «мокрый шлак» [содержит 60-80 % алюминия].

Рекомендуемая практика съема «мокрого» шлака с расплава [1]:

минимум один раз в четыре часа
при достижении шлаком толщины 40 мм (см. рисунок 2).

Печное флюсование алюминевого шлака

Обработка шлака флюсом

Когда на поверхности расплава образуется шлак, то его нужно обязательно снимать, чтобы:

обеспечить нормальные скорости плавления
избежать дальнейшей потери металла.

Методы, которые применяют в промышленности, обычно являются комбинацией обработки шлака в печи или загрузочном колодце, а также регулярной чистки стен и подины печей.

Для этого обычно применяют несколько типов твердых флюсов (порошковых или гранулированных), которые являются смесями химических соединений, имеющих различные функции. Эти смеси могут включать реактивные (химически активные) компоненты, а также наполнители, которые обеспечивают удобный объем или снижение стоимости.

Шлакующие флюсы

Известно, что большой процент годного металла может быть потерян, когда из печи выгружается «мокрый» шлак [с содержанием металла 60-80 %]. На многих производствах пытаются снизить содержание металла в таком шлаке путем обработки шлака в печи с применением экзотермических флюсов. Эти флюсы содержат окислители и фториды, чтобы поднять температуру и помочь отделению оксидов от металла. Для генерации тепла эта экзотермическая реакция потребляет алюминий и может быть причиной потери до 20 % металла, который содержится в шлаке.

Специальные шлакующие флюсы разработаны для того, чтобы помочь отделить металлический алюминий, который захвачен шлаком. Этот шлак состоит из капель металлического алюминия, который находится внутри оболочки из оксида алюминия (рисунок 5).

Рисунок 5 – Схематический вид оболочки из шлака
с захваченным внутри ее алюминием [1]

Состав и структура шлака зависит от вида алюминиевой шихты и типа плавильной печи. Применяемые флюсы обычно являются реактивными, что обеспечивает хороший контакт со шлаком для отделения его от алюминия. Флюс также может содержать экзотермические компоненты, чтобы выделяющееся тепло ускоряло процесс отделения. Применение теплового и механического перемешивания дает повышение локальной поверхностной температуры и текучесть, что способствует размягчению оксидной оболочки, высвобождению капель металлического алюминия, их коалесценции и возврату в расплав.

Типичная процедура флюсования алюминиевого шлака

Методы применения обоих типов флюсов может сильно отличаться от производства к производству, но все они требуют плотного перемешивания флюса и шлака, что достичь хорошего отделения алюминия от оксидов [1].

Первоначальным этапом является равномерное распределение флюса по поверхности шлака. Расход флюса может быть разным, но некоторые производители флюсов рекомендуют начинать примерно с 1 кг на метр квадратный площади расплава.
Затем смешивают флюс и шлак с помощью скребка, чтобы запустить процесс разделения оксидов и алюминия.
После этого окно печи закрывают и на короткое время включают горелки на нормальную мощность. Повышение температуры способствует реакции флюса со шлаком и ускоряет разделение алюминия и оксида.
Окно печи приоткрывают и оператор осторожно перемешивает, сгребает и разбивает слой шлака скребком, что еще более смешать флюс со шлаком.
Эту смесь затем удаляют из печи так быстро, как это возможно, чтобы сократить тепловые потери печи, которые могут быть весьма значительными при операциях чистки и флюсования.
Нужно стараться, чтобы освобожденный из шлака алюминии максимально стекал из смеси шлак-флюс в расплав.

Типичная такая операция показана на рисунке 6.

Рисунок 6 – Оператор печи чистит боковые стенки печи и
замешивает флюс в шлак на поверхности расплава [1]

Не химия, но физика

Надо понимать, что при флюсовании шлака не происходит восстановления алюминия из оксида. Это может быть сделано только электролитически. В результате обработки шлака флюсом происходит чисто физическое разделение или разламывание непрочного оксидного слоя и освобождение алюминия, который содержался внутри его (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема освобождения алюминия из шлаковой оболочки [1]

Целью обработки шлака флюсом является превратить белый, кусковой шлак с большим содержанием алюминия, в темный порошкообразный шлак с низким содержанием алюминия. На рисунках 8 и 9 показан внешний вид этих двух видов шлака – необработанного и обработанного флюсом, соответственно. Шлак с большим содержанием алюминия выглядит светлым и блестящим, то есть очевидно насыщенным алюминием, а обработанный шлак выглядит тусклым и порошкообразным.

Рисунок 8 – Необработанный флюсом белый шлак
с высоким содержанием алюминия [1]

Рисунок 9 – Обработанный флюсом темный порошкообразный шлак
с низким содержанием алюминия [1]

Экономика шлака

Обычно содержание алюминия в необработанном шлаке составляет от 85 до 90 %. Печным флюсованием можно вернуть примерно половину этого количества, если действовать активно и энергично.

Обработанный флюсом и снятый с расплава шлак еще годится для дополнительной обработки на вспомогательном оборудовании, например, на специальном дробильном прессе. После этой обработки количество оставшегося алюминия в шлаке может составить около 25 % (рисунок 10).

Необходимо отметить, что все эти численные показатели могут достигаться только путем очень трудоемкой, тщательной и аккуратной работы. Доля восстановленного алюминия может снизиться на 50 % и более, если операцию обработки и съема шлака проводить непрофессионально.

Рисунок 10 – Типичное содержание алюминия: 1) необработанный шлак,
2) шлак после печного флюсования и
3) шлак после дополнительной механической обработки [1]

Практика обработки алюминиевого шлака сильно различается от производства к производству. Некоторые производства производят операции флюсования и рафинирования очень тщательно. Другие – просто снимают шлак в контейнеры и отправляют местным переработчикам шлака. Эти шлаки составляют большую долю потерь металла, которые происходят в металлургическом плавильном производстве. Эти потери могут составлять 1-2 % от веса чистой и сухой алюминиевой шихты, но могут доходить до 6-10 % и даже выше для загрязненного алюминиевого лома.

Большинство эффективных плавильщиков алюминия отгружают шлак для переработки с содержанием алюминия 40-50 %, тогда как те предприятия, которые не производят печное флюсование шлака или производят его недостаточно, могут отгружать шлак с содержанием алюминия 75 и даже 85 %.

Как сократить количество шлака

Чтобы сократить количество шлака, который образуется в плавильных производственных операциях, рекомендуется придерживаться, на сколько это позволяют тип и конструкция печи, следующих правил [1].

Применять чистую, сухую алюминиевую шихту.
Применять шихтовые материалы с высоким соотношением массы к поверхности, чтобы минимизировать количество оксидов, которые вводятся в печь.
Применять покровные флюсы для защиты расплава от окисления.
Минимизировать плавильный цикл за счет перемешивания расплава.
Держать, насколько это возможно, печи закрытыми для снижения окисления, особенно при выдержке расплава.
Избегать прямого попадания пламени горелки на расплавленный металл.
Обеспечивать на горелках правильное соотношение топливо/воздух, чтобы минимизировать условия для окисления.
Выдерживать расплавленный металл при как можно более низкой температуре.
Свести к минимуму передачу расплавленного металла по металлопроводам и ковшам. Минимизировать турбулентность и каскадность при обращении с жидким металлом.
Применять систему восстановления и извлечения алюминия из шлака.
Покрывать печной инструмент соответствующим защитным покрытием, который не смачивается в жидком алюминии.
Следить, что бы загрузочное окно печи закрывалось герметично.
Обеспечивать в отражательной плавильной печи избыточное давление.
Следить, чтобы термопары были в рабочем состоянии и были правильно откалиброваны, чтобы надежно контролировать температуру алюминиевого расплава.

Источники:

1. Dross, Melt Loss, and Fluxing of Light Alloy Metals // ASM Handbook, Volume 15: Casting – 2008
2. Reduction of Oxidative Melt Loss of Aluminum and Its Alloys – Final Report DE-FC36-00ID13898 – DasSecat, Inc, 2006
3. Aluminum Recycling – Second Edition / Mark E. Schlesinger – CRC Press, Francis Group, 2017