Aluminiumschmelzschlacke
Aluminiumschmelzkrätze ist die Oberflächenschicht auf der Aluminiumschmelze, das einen hohen Oxidgehalt aufweist.
Diese Aluminiumschmelzschlacke:
- entsteht auf der Oberfläche von Aluminiumschmelzen durch die Wechselwirkung von Aluminium mit Luftgasen, in erster Linie, mit Sauerstoff
- ist eine physikalische Mischung aus Oxiden und anderen festen Verbindungen, sowie geschmolzenes Aluminium, was in ihnen steckt
- ist ein unvermeidliches Nebenprodukt [1].
Was ist Aluminiumschmelzschlacke?
Schmelzschlacken aus Aluminium sind in allen Branchen eine Problemquelle, die sich mit dem Schmelzen von Aluminium und Aluminiumlegierungen beschäftigen.
- Die Schlacke ist ein wertvolles Nebenprodukt, Dies hängt stark von der Rentabilität der Produktionsabläufe ab.
- Diese Schlacke, zusätzlich zu Oxiden, enthält oft eine große Menge an verwertbarem metallischem Aluminium, das von diesen Oxiden eingefangen wird (Abbildung 1).
- Wenn keine geeigneten Maßnahmen ergriffen werden, um eine übermäßige Krätzebildung zu verhindern, sowie maximale Extraktion von metallischem Aluminium daraus, dann kann dies zu erheblichen Verlusten an potenziell verwertbarem Metall führen.
Abbildung 1 – Art von Aluminiumschlacke mit hohem Aluminiumgehalt
unter dem Elektronenmikroskop [2]
Einfluss der Schmelztechnologie auf die Bildung von Aluminiumschmelzkrätze
Das meiste Aluminium wird in Gasöfen geschmolzen (Abbildung 2). Diese Öfen zeichnen sich durch folgende technologische Faktoren aus, die einen großen Einfluss auf die technologischen Verluste von Aluminium im Ofen haben.
Abbildung 2 – Querschnitt Flammschmelzofen:
1) Wärmeübertragung auf die Oberfläche der Schmelze durch Strahlung;
2) Wärmeübertragung tief in die Schmelze durch Konvektion [3]
Gas / Luftverhältnis bei Gasbrennern
Der erste Faktor ist das Gas/Luft-Verhältnis bei Gasbrennern. Eine übermäßige Luftzufuhr führt zu einer erhöhten Krätzebildung, wenn durch eine Bewegung der Schmelzoberfläche eine frische Aluminiumoberfläche entsteht. Die Situation wird immer schlimmer, wenn der Brenner direkt auf die Oberfläche der Schmelze oder auf die Aluminiumcharge trifft.
Haltetemperatur der Schmelze
Der zweite wichtige Faktor ist die Haltetemperatur der Aluminiumschmelze. Temperaturanstieg nur um 25-55 ºС kann einen sehr großen Einfluss haben (Abbildung 3).
Abbildung 3 – Logarithmischer Anstieg der Aluminiumoxidationsrate
mit steigender Haltetemperatur (in Prozent) [1]
Muss man im Hinterkopf behalten, dass Thermoelemente in einem Bad aus geschmolzenem Aluminium tatsächlich die Temperatur in der Tiefe des Bades messen. Es ist unmöglich, die Temperatur direkt an der obersten Oberfläche zu messen, das deutlich heißer sein kann, als die Temperatur in der Tiefe der Schmelze. Folglich, Hitze, in der Abbildung dargestellt 1, an der Oberfläche der Schmelze erreicht werden. Dies führt zu einem starken Anstieg der Aluminiumoxidation., Was, infolge, führt zu einer Zunahme der Dicke der Schlackenschicht.
Dicke der Schlackenschicht
Eine zu dicke Schlackenschicht über der Schmelze kann wärmeisolierend wirken und einen erhöhten Brennerbetrieb verursachen., um die gewünschte Schmelzetemperatur aufrechtzuerhalten. In diesem Fall, die Temperatur in der Schlackenschicht steigt und, bzw., die Geschwindigkeit der Metalloxidation nimmt zu, das von der Oberfläche der Schmelze in die Schlacke gelangt. Infolge, Der Metallverlust beim Schmelzen nimmt logarithmisch zu.. Die Auswirkung einer Erhöhung der Krätzedicke auf die Schmelzgeschwindigkeit ist in der Abbildung dargestellt 4, was von den meisten Aluminiumhütten bestätigt wird.
- Aus diesem Grund, in Aluminiumschmelzöfen, Die Dicke der Schlacke auf der Oberfläche der Schmelze darf in der Regel nicht überschritten werden 40 mm.
Abbildung 4 – Einfluss der Dicke der Krätzeschicht auf die Reduzierung der Schmelzrate des feuerfesten Schmelzofens (in Prozent) [1]
Normalerweise liegt die Temperatur der Schlackenschicht bei ca 50-85 ºС oben, als die Schmelzetemperatur. Deswegen, Durch die hohe Temperatur der Schmelze besteht die Gefahr einer Entzündung der Schlacke und einer Selbstentzündung des metallischen Aluminiums.. Diese Thermitreaktion kann schwerwiegende Folgen haben.. Wenn wir die Entwicklung dieser Reaktion zulassen, Die Temperatur im Ofen kann überschritten werden 1650 oC, Dies kann zum Schmelzen der feuerfesten Auskleidung und zum Totalausfall des Ofens führen.
Verladung von Leichtschrott
Die Beschickung von Leichtaluminiumschrott direkt in die Schmelze von Flammöfen vom Badtyp kann zu einem zusätzlichen Anstieg der Schmelzverluste an Metall führen. Es passiert, wenn Schlacke, die sich auf der Oberfläche der Schmelze bildeten, dann direkt der Flamme der Brenner ausgesetzt. Diese schmelzende Schlacke ist ein “flüssig” Gemisch aus Oxiden und Metall, das in der Schlacke enthalten ist.. Es kann bis zu enthalten 80 oder auch 90 % gutes Metallaluminium. Wenn diese Schlacke nicht schnell von der Oberfläche entfernt oder mit einem Flussmittel behandelt wird, um das Metall von Oxiden und Verunreinigungen zu trennen, dann dieses Metall, oxidiert schnell und führt zu einem zusätzlichen Verlust an verwertbarem Metall.
Unter Rühren schmelzen
Zur Reduzierung der Krätzebildung auf der Oberfläche der Aluminiumschmelze, Es ist wichtig, nicht nur die Ladevorgänge und die Temperatur sorgfältig zu kontrollieren., sondern auch die Schaffung von Bedingungen für eine bessere Wärmeübertragung auf die Schmelze. Mit einer Abnahme der Oberflächentemperatur der Schmelze, der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Schmelze nimmt zu, was eine höhere Wärmeübertragungsrate bietet und, Folglich, schnelleres Schmelzen. Dies wird erleichtert durch: 1) das richtige Gas/Luft-Verhältnis an den Brennern und 2) Rühren der Schmelze. Dadurch kann die Wärme der Strahlungsenergie des Gewölbes und der Wände effizienter an die Oberfläche der Schmelze gelangen und sich in deren Tiefe ausbreiten.
Entfernung von Schlacken
Bei Trockenherdöfen treten einige dieser Probleme nicht auf., da Oberflächenoxide der Ladung auf dem geneigten Herd verbleiben, und das geschmolzene Aluminium fließt in den Ofen. Wenn nasser oder geölter Aluminiumschrott auf ein Schrägbett geladen wird, dann entstehen diese Probleme nicht, die beim direkten Einbringen in die Schmelze entstehen. Jedoch, Auf dem geneigten Herd bilden sich schnell Oxide, Dies kann den Fluss von geschmolzenem Aluminium behindern. Deswegen, Diese Oxidansammlungen müssen regelmäßig entfernt werden.
Empfohlene Vorgehensweise zur Entfernung von “nass” Krätze aus der Schmelze [1]:
- mindestens alle vier Stunden
- wenn die Schlacke ihre Dicke erreicht 40 mm (siehe Abbildung 2).
Fluxen von Aluminiumschlacke im Ofen
Schlackenbehandlung mit Flussmittel
Wenn sich auf der Oberfläche der Schmelze Krätze bildet, dann muss es entfernt werden, Zu:
- sorgen für normale Schmelzraten
- Vermeiden Sie weiteren Metallverlust.
Methoden, die in der Industrie eingesetzt werden, In der Regel handelt es sich um eine Kombination aus Krätzebehandlung in einem Ofen, sowie regelmäßige Reinigung der Wände und des Bodens der Öfen.
Für diesen Zweck, verschiedene Arten von Feststoffen Flüsse (Pulver oder Granulat) verwendet werden. Bei diesen Substanzen handelt es sich um Mischungen chemischer Verbindungen, unterschiedliche Funktionen haben. Diese Mischungen können reaktive Komponenten enthalten, sowie Füllstoffe, die eine praktische Volumen- oder Kostenreduzierung ermöglichen.
Schlackenflussmittel
Es ist bekannt, dass ein großer Prozentsatz des nutzbaren Metalls verloren gehen kann, wenn das “nass” Aus dem Ofen wird Schlacke ausgetragen, die Metall enthält 60-80 %]. Viele Branchen versuchen, den Metallgehalt in solchen Schlacken zu reduzieren, indem sie die Schlacke in einem Ofen mit exothermen Flussmitteln behandeln.. Diese Flussmittel enthalten Oxidationsmittel und Fluoride, um die Temperatur zu erhöhen und dabei zu helfen, die Oxide vom Metall zu trennen. Diese exotherme Reaktion verbraucht Aluminium, um Wärme zu erzeugen, und kann bis zu 100 % verursachen 20 % Metall, das in der Schlacke enthalten ist.
Spezielle Flussmittel zur Krätzebildung sollen dabei helfen, metallisches Aluminium abzutrennen, das in der Schlacke gefangen ist. Diese Schlacke besteht aus Tröpfchen metallischen Aluminiums., welches sich innerhalb der Hülle aus Aluminiumoxid befindet (Abbildung 5).
Abbildung 5 – Schematische Darstellung einer Schlackenhülle
mit darin eingeschlossenem Aluminium [1]
Die Zusammensetzung und Struktur der Krätze hängt von der Art der Aluminiumbeschickung und der Art des Schmelzofens ab.. Die verwendeten Flussmittel sind in der Regel reaktiv, Dies sorgt für einen guten Kontakt mit der Krätze, um diese vom Aluminium zu trennen. Flussmittel können auch exotherme Komponenten enthalten, sodass die erzeugte Wärme den Trennvorgang beschleunigt. Der Einsatz von thermischem und mechanischem Rühren führt zu einer Erhöhung der lokalen Oberflächentemperatur und Fließfähigkeit, Dies hilft, die Oxidhülle aufzuweichen, Freisetzung von Aluminiummetalltröpfchen, ihre Verschmelzung und Rückkehr zur Schmelze.
Typisches Flussmittelverfahren für Aluminiumschlacke
Die Anwendungsmethoden für beide Arten von Flussmitteln können von Produktion zu Produktion stark variieren, aber sie alle erfordern eine enge Mischung von Flussmittel und Schlacke, um eine gute Trennung von Aluminium und Oxiden zu erreichen [1].
- Das erste Stadium ist die gleichmäßige Verteilung des Flussmittels über die Schlackenoberfläche. Der Flussmittelverbrauch kann unterschiedlich sein, Einige Flussmittelhersteller empfehlen jedoch, damit anzufangen 1 kg pro Quadratmeter Schmelzfläche.
- Anschließend werden Flussmittel und Krätze mit einem Schaber vermischt, um den Prozess der Trennung von Oxiden und Aluminium zu starten.
- Danach, Das Ofenfenster wird geschlossen und die Brenner werden für kurze Zeit mit normaler Leistung eingeschaltet.. Eine Erhöhung der Temperatur fördert die Reaktion des Flussmittels mit der Krätze und beschleunigt die Trennung von Aluminium und Oxid.
- Das Ofenfenster wird leicht geöffnet und der Bediener mischt vorsichtig, harkt und bricht die Schlackeschicht mit einem Schaber, Was soll man noch mehr Flussmittel mit Schlacke vermischen?.
- Diese Mischung wird dann so schnell aus dem Ofen genommen, wie ist es möglich, um den Wärmeverlust des Ofens zu reduzieren, Dies kann bei Reinigungs- und Flussmittelvorgängen von großer Bedeutung sein.
- Du musst es versuchen, damit das von der Krätze befreite Aluminium möglichst weit aus dem Krätze-Flussmittel-Gemisch in die Schmelze fließt.
Ein typischer solcher Vorgang ist in Abbildung dargestellt 6.
Abbildung 6 – Der Ofenbetreiber reinigt die Seitenwände des Ofens und
knetet Flussmittel zu Krätze auf der Oberfläche der Schmelze [1]
Keine Chemie, sondern Physik
Muss verstehen, das während des Fluxierens der Krätze, Es findet keine Reduktion von Aluminium aus Oxid statt. Dies kann nur elektrolytisch erfolgen. Als Ergebnis der Behandlung der Schlacke mit einem Flussmittel, es kommt zu einer rein physikalischen Ablösung oder zum Bruch der fragilen Oxidschicht und zur Freisetzung von Aluminium, was darin enthalten war (Abbildung 7).
Abbildung 7 – Schema der Freisetzung von Aluminium aus der Schlackenschale [1]
Der Zweck des Flussmittels besteht darin, Schlacke weiß zu machen, Klumpenschlacke mit hohem Aluminiumgehalt, zu einer dunklen, pudrigen Schlacke mit geringem Aluminiumgehalt:
- Die Aluminiumschmelzschlacke mit hohem Aluminiumanteil sieht leicht und glänzend aus, das ist, offensichtlich mit Aluminium gesättigt (Abbildung 8).
- Die behandelte Aluminiumschmelzschlacke sieht matt und pudrig aus (Abbildung 9).
Abbildung 8 – Unbehandelte weiße Schlacke mit hohem Aluminiumgehalt [1]
Abbildung 9 – Mit Flussmittel behandelte dunkle, pulverförmige Schlacke mit hohem Aluminiumgehalt [1]
Schlackenökonomie
- Typisch, Der Aluminiumgehalt in der unbehandelten Krätze liegt zwischen 85 zu 90 %. Durch Ofenflussmittel kann etwa die Hälfte dieser Menge zurückerhalten werden.
- Die mit Flussmittel behandelte und abgeschöpfte Krätze ist weiterhin für die Weiterverarbeitung auf Hilfsgeräten geeignet, Zum Beispiel, auf einer speziellen Zerkleinerungspresse. Nach dieser Behandlung, Die Menge an verbleibendem Aluminium in der Schlacke kann ca 25 % (Figur 10).
Es sollte notiert werden, dass alle diese numerischen Indikatoren nur durch einen sehr mühsamen Weg erreicht werden können, sorgfältige und genaue Arbeit. Der Anteil an reduziertem Aluminium kann um sinken 50 % und mehr, wenn die Verarbeitung und Entfernung der Krätze unsachgemäß durchgeführt wird.
Abbildung 10 – Typischer Aluminiumgehalt in schmelzender Aluminiumschlacke [1]
Der Umgang mit Aluminiumschlacke ist von Produktion zu Produktion sehr unterschiedlich.. In einigen Branchen werden Flussmittel- und Veredelungsvorgänge sehr sorgfältig durchgeführt. Andere schöpfen die Schlacke einfach in Behälter ab und schicken sie an örtliche Schlackenrecycler.. Diese Krätzen machen einen großen Teil der Metallverluste aus, die in der metallurgischen Schmelzindustrie anfallen. Diese Verluste können betragen 1-2 % vom Gewicht einer sauberen und trockenen Aluminiummischung, kann aber bis zu gehen 6-10 % Bei kontaminiertem Aluminiumschrott sogar noch höher.
Die effizientesten Aluminiumhütten versenden Schlacke, die Aluminium enthält, zum Recycling 40-50 %, während diese Unternehmen, die keine oder nur unzureichende Schlackenbildung im Ofen bewirken, können Aluminium enthaltende Schlacken versenden 75 und selbst 85 %.
So reduzieren Sie die Menge an Schlacke
Um die Menge an Schlacke zu reduzieren, das in Schmelzproduktionsbetrieben entsteht, Es wird empfohlen, diese einzuhalten, soweit Art und Bauart des Ofens dies zulassen, Befolgen von Regeln [1].
- Sauber auftragen, trockene Aluminiumschrottladung.
- Verwenden Sie Einsatzstoffe mit einem hohen Masse-zu-Oberflächen-Verhältnis, um die Menge an Oxiden zu minimieren, die in den Ofen eingeführt werden.
- Tragen Sie Beschichtungsflussmittel auf, um die Aluminiumschmelze vor Oxidation zu schützen.
- Minimieren Sie den Schmelzzyklus, indem Sie die Schmelze umrühren.
- Halten, so viel wie möglich, geschlossener Ofen zur Reduzierung der Oxidation, vor allem beim Halten der Schmelze.
- Vermeiden Sie den direkten Kontakt der Brennerflamme mit geschmolzenem Aluminium.
- Achten Sie auf das richtige Brennstoff-Luft-Verhältnis an den Brennern, um die Oxidationsbedingungen zu minimieren.
- Halten Sie geschmolzenes Metall auf der niedrigstmöglichen Temperatur.
- Minimieren Sie die Übertragung von geschmolzenem Metall durch Trog und Pfannen. Minimieren Sie Turbulenzen und Kaskadenbildung beim Umgang mit flüssigem Metall.
- Wenden Sie ein System zur Rückgewinnung und Extraktion von Aluminium aus Schlacke an.
- Ofenwerkzeuge mit einer geeigneten Schutzschicht abdecken, das in flüssigem Aluminium nicht benetzt wird.
- Folgen, damit das Beschickungsfenster des Ofens hermetisch verschlossen ist.
- Sorgen Sie für Überdruck im Flammschmelzofen.
- Folgen, dass die Thermoelemente betriebsbereit und korrekt kalibriert sind, um die Temperatur der Aluminiumschmelze zuverlässig zu kontrollieren.
Quellen:
1. Schlacke, Schmelzverlust, und Flussmittel von Leichtmetallen // ASM-Handbuch, Volumen 15: Gießen – 2008
2. Reduzierung des oxidativen Schmelzverlustes von Aluminium und seinen Legierungen – Abschlussbericht DE-FC36-00ID13898 – DasSecat, Inc, 2006
3. Aluminiumrecycling – Zweite Ausgabe / Mark E. Schlesinger – CRC-Presse, Francis Gruppe, 2017