Aluminiumschmelze: Probleme und Lösungen

  • Schlacke ist eine Oberflächenschicht auf einer Metallschmelze, die einen hohen Oxidgehalt hat.
  • An der Oberfläche von Schmelzen entsteht durch Wechselwirkung mit Luftgasen Schlacke, meist, mit Sauerstoff.
  • Schlacke ist eine physikalische Mischung aus Oxiden und anderen festen Verbindungen, sowie geschmolzenes Metall, was ist in ihnen.
  • Schlacke, die sich auf der Oberfläche einer Aluminiumschmelze bildet, ist ein unvermeidliches Nebenprodukt.
  • Schlacke ist "Schaum auf geschmolzenem Metall" [1].

Was ist Aluminiumschlacke?

Aluminiumschlacke ist eine Problemquelle in allen Branchen, die sich mit dem Schmelzen von Aluminium und Aluminiumlegierungen beschäftigen. In fester Form ist die Schlacke umso unerwünscht., da es ein wertvolles Nebenprodukt ist, was stark von der Rentabilität des Produktionsbetriebs abhängt.

Das ist weil, dass die Schlacke neben Oxiden oft eine große Menge an verwertbarem metallischem Aluminium enthält, das von diesen Oxiden eingefangen wird (Abb 1). Wenn keine geeigneten Maßnahmen ergriffen werden, um eine übermäßige Schlackebildung zu verhindern, sowie maximale Gewinnung von metallischem Aluminium daraus, dann kann dies zu erheblichen Verlusten an potenziell verwertbarem Metall führen.


Bild 1 - Art von Aluminiumschlacke mit hohem Aluminiumgehalt
unter einem Elektronenmikroskop [2]

Einfluss der Schmelztechnologie auf die Schlackenbildung

Der überwiegende Teil des Aluminiums wird in Gashallöfen geschmolzen (Abb 2). Diese Öfen zeichnen sich durch folgende technologische Faktoren aus, die einen großen Einfluss auf die technologischen Metallverluste im Ofen haben.

Bild 2 – Querschnitt eines Flammschmelzofens:
1) Wärmeübertragung der Schmelzoberfläche durch Strahlung;
2) Wärmeübertragung tief in die Schmelze durch Konvektion [3]

Gas/Luft-Verhältnis bei Gasbrennern

Der erste Faktor ist das Gas/Luft-Verhältnis bei Gasbrennern. Übermäßige Luftzufuhr führt zu erhöhter Schlackenbildung, wenn durch eine Bewegung der Schmelzeoberfläche eine frische Aluminiumoberfläche entsteht. Die Situation wird schlimmer, wenn die Brenner direkt auf die Oberfläche der Schmelze oder auf die Aluminiumcharge „schlagen“.

Haltetemperatur der Schmelze

Zweite, und auch ein wichtiger faktor, ist die Haltetemperatur der Schmelze nach dem Schmelzen. Temperaturanstieg nur um 25-55 ºС kann einen sehr großen Effekt haben (Abbildung 3).

Bild 3 Logarithmischer Anstieg der Geschwindigkeit der Aluminiumoxidation
mit steigender Haltetemperatur (in Prozent) [1]

Muss im Hinterkopf behalten, dass Thermoelemente in einem Bad aus geschmolzenem Aluminium tatsächlich die Temperatur am Boden des Bades messen. Es ist unmöglich, die Temperatur direkt an der obersten Oberfläche zu messen, was deutlich heißer sein kann, als die Temperatur in der Tiefe der Schmelze. Somit, hohes Fieber, was in der Abbildung gezeigt wird 1, kann an der Oberfläche der Schmelze erreicht werden. Dies führt zu einem starken Anstieg der Aluminiumoxidation., Was, ergebend, führt zu einer Zunahme der Dicke der Schlackeschicht.

Schlackeschichtdicke

Eine zu hohe Schlackenschichtdicke über der Schmelze kann wärmedämmend wirken und einen erhöhten Brennerbetrieb verursachen., um die gewünschte Schmelztemperatur zu halten. In diesem Fall steigt die Temperatur in der Schlackeschicht und, beziehungsweise, die Geschwindigkeit der Metalloxidation steigt, die von der Oberfläche der Schmelze in die Schlacke eindringt. Dadurch steigt der Metallverlust beim Schmelzen logarithmisch an.. Der Einfluss der Erhöhung der Schlackendicke auf die Schmelzrate ist in der Abbildung dargestellt. 4, was von den meisten Aluminiumhütten bestätigt wird.

  • Aus diesem Grund darf in Schmelzöfen die Dicke der Schlacke an der Oberfläche der Schmelze in der Regel nicht überschritten werden 40 mm.

Bild 4 – Einfluss der Schlackenschichtdicke auf die Abschmelzleistung des Flammschmelzofens (in Prozent) [1]

Normalerweise beträgt die Temperatur der Schlackeschicht etwa 50-85 ºC über, als die Schmelztemperatur. Durch die hohe Temperatur der Schmelze besteht daher die Gefahr der Entzündung der Schlacke und der Selbstentzündung von metallischem Aluminium.. Diese Thermitreaktion kann schwerwiegende Folgen haben.. Wenn wir die Entwicklung dieser Reaktion zulassen, die Temperatur im Backofen kann über 1650 ºS, was zum Schmelzen der feuerfesten Auskleidung und zum kompletten Ausfall des Ofens führen kann.

Leichtschrott verladen

Das Einbringen von Leichtschrott direkt in die Schmelze von Hallöfen vom Badtyp kann eine Quelle für eine zusätzliche Erhöhung der Schmelzverluste von Metall sein.. Es passiert, wenn Schlacke, die sich an der Oberfläche der Schmelze gebildet hat, dann direkt der Flamme der Brenner ausgesetzt. Diese Schlacke ist ein "flüssiges" Gemisch aus Oxiden und Metall, das in der Schlacke mitgeführt wird.. Es kann bis zu enthalten 80 oder auch 90 % gutes Metall. Wenn Sie diese Schlacke nicht schnell von der Oberfläche entfernen oder mit einem Flussmittel behandeln, um das Metall von Oxiden und Verunreinigungen zu trennen, dann dieses Metall, oxidiert schnell und dies führt zu zusätzlichem Verlust an verwendbarem Metall.

Rühren der Schmelze

Um die Bildung von Schlacke an der Oberfläche der Schmelze zu reduzieren, ist es nicht nur wichtig, die Beschickungsvorgänge und die Temperatur sorgfältig zu kontrollieren., sondern auch Bedingungen für einen besseren Wärmeübergang an die Schmelze schaffen. Mit abnehmender Oberflächentemperatur der Schmelze nimmt die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Schmelze zu, die eine höhere Wärmeübertragungsrate bietet und, daher, schneller schmelzen. Es trägt dazu bei: 1) das richtige Gas/Luft-Verhältnis an den Brennern und 2) Schmelzmischen. Dadurch kann die Wärme aus der Strahlungsenergie des Gewölbes und der Wände effizienter an die Oberfläche der Schmelze gelangen und sich in deren Tiefe ausbreiten..

Entschlackung

Trockenherdöfen weisen einige dieser Probleme nicht auf., da Oberflächenoxide aus der Ladung auf dem geneigten Herd verbleiben, und das geschmolzene Aluminium fließt in den Ofen. Wenn nasser oder öliger Aluminiumschrott auf ein Schrägbett geladen wird, dann macht es diese probleme nicht, die entstehen, wenn es direkt in die Schmelze eingebracht wird. aber, Oxide sammeln sich schnell auf dem geneigten Herd an, die den Fluss von geschmolzenem Aluminium behindern können. Daher müssen diese Oxidansammlungen regelmäßig entfernt werden..

Falls erforderlich, sollte eine Schlackeentfernung durchgeführt werden., normalerweise einmal pro Schicht, ) Schmelzmischen 60-80 % ) Schmelzmischen.

) Schmelzmischen

  • mindestens alle vier Stunden
  • wenn die Schlacke ihre Dicke erreicht 40 ) Schmelzmischen. Bild 2).

Schmelzen von Aluminiumschlacke im Ofen

Schlackenbehandlung mit Flussmittel

Wenn sich an der Oberfläche der Schmelze Schlacke bildet, dann muss es entfernt werden, zu:

  • Gewährleistung normaler Schmelzraten
  • weiteren Metallverlust vermeiden.

Methoden, die in der Industrie verwendet werden, meist eine Kombination aus Schlackenbehandlung in einem Ofen oder einem Chargierschacht, sowie regelmäßige Reinigung der Wände und des Bodens der Backöfen.

Dazu werden üblicherweise mehrere Arten von festen Flussmitteln (Pulver oder Granulat) verwendet., das sind Mischungen chemischer Verbindungen, verschiedene Funktionen haben. Diese Mischungen können reaktive (reaktive) Komponenten enthalten, sowie Füllstoffe, die eine bequeme Volumen- oder Kostenreduzierung bieten.

Schlackenflussmittel

Es ist bekannt, dass ein großer Prozentsatz des verwendbaren Metalls verloren gehen kann, wenn die "nasse" Schlacke [metallhaltig 60-80 %]. Viele Industrien versuchen, den Metallgehalt in einer solchen Schlacke zu verringern, indem die Schlacke in einem Ofen unter Verwendung exothermer Flussmittel behandelt wird.. Diese Flussmittel enthalten Oxidationsmittel und Fluoride, um die Temperatur zu erhöhen und die Oxide vom Metall zu trennen. Diese exotherme Reaktion verbraucht Aluminium, um Wärme zu erzeugen, und kann bis zu 20 % Metall, was in der Schlacke enthalten ist.

Spezielle Schlackenflussmittel sind für, um Metall-Aluminium zu trennen, die in der Schlacke gefangen ist. Diese Schlacke besteht aus Tröpfchen von metallischem Aluminium., die sich in der Aluminiumoxidhülle befindet (Abb 5).

Bild 5 – Schematische Darstellung einer Schlackeschale
mit eingeschlossenem Aluminium [1]

Die Zusammensetzung und Struktur der Schlacke hängt von der Art der Aluminiumcharge und der Art des Schmelzofens ab.. Die verwendeten Flussmittel sind in der Regel reaktiv, die einen guten Kontakt mit der Schlacke bietet, um sie vom Aluminium zu trennen. Flussmittel können auch exotherme Komponenten enthalten, damit die entstehende Wärme den Trennprozess beschleunigt. Die Verwendung von thermischem und mechanischem Rühren führt zu einer Erhöhung der lokalen Oberflächentemperatur und Fluidität., was hilft, die Oxidhülle zu erweichen, Freisetzung von Aluminiummetalltröpfchen, ihre Koaleszenz und Rückkehr in die Schmelze.

Typisches Verfahren zum Flussmittel mit Aluminiumschlacke

Die Auftragsverfahren für beide Flussmittelarten können von Produktion zu Produktion stark variieren., aber sie alle erfordern eine enge Vermischung von Flussmittel und Schlacke, um eine gute Abtrennung von Aluminium von Oxiden zu erreichen [1].

  • Die Anfangsphase ist die gleichmäßige Verteilung des Flussmittels über die Schlackenoberfläche.. Der Flussmittelverbrauch kann unterschiedlich sein, aber einige Flussmittelhersteller empfehlen, herumzustarten 1 kg pro Quadratmeter Schmelzfläche.
  • Anschließend werden Flussmittel und Schlacke mit einem Schaber vermischt, um den Prozess der Trennung von Oxiden und Aluminium zu starten.
  • Danach wird das Ofenfenster geschlossen und die Brenner kurzzeitig mit Normalleistung eingeschaltet.. Eine Temperaturerhöhung fördert die Reaktion des Flussmittels mit der Schlacke und beschleunigt die Trennung von Aluminium und Oxid.
  • Das Ofenfenster wird leicht geöffnet und der Bediener mischt sanft, harkt und bricht die Schlackeschicht mit einem Schaber, was noch, um das Flussmittel mit der Schlacke zu mischen.
  • Diese Mischung wird dann so schnell aus dem Ofen genommen., wie ist das möglich, um den Wärmeverlust des Backofens zu reduzieren, was bei Reinigungs- und Flussmittelvorgängen von großer Bedeutung sein kann.
  • Du musst es versuchen, damit das von der Schlacke befreite Aluminium möglichst weit aus dem Schlacke-Flussmittel-Gemisch in die Schmelze fließt.

Ein typischer solcher Vorgang ist in der Abbildung gezeigt. 6.

Bild 6 - Der Ofenführer reinigt die Seitenwände des Ofens und
knetet das Flussmittel zu Schlacke auf der Oberfläche der Schmelze [1]

Nicht Chemie, aber physik

Ich muss verstehen, dass beim Fluxen der Schlacke keine Reduktion von Aluminium aus Oxiden stattfindet. Dies kann nur elektrolytisch erfolgen.. Durch die Behandlung der Schlacke mit einem Flussmittel kommt es zu einer rein physikalischen Ablösung bzw. zum Bruch der brüchigen Oxidschicht und zur Freisetzung von Aluminium, die darin enthalten war (Abb 7).


Bild 7 – Schema der Freisetzung von Aluminium aus der Schlackenhülle [1]

Der Zweck der Flussschlacke besteht darin, weiß zu werden, Stückschlacke mit hohem Aluminiumgehalt, zu einer dunklen Pulverschlacke mit niedrigem Aluminiumgehalt. In den Bildern 8 und 9 zeigt das Aussehen dieser beiden Schlackenarten - unbehandelt und mit Flussmittel behandelt, beziehungsweise. Schlacke mit hohem Aluminiumanteil sieht leicht und glänzend aus, das heißt, offensichtlich mit Aluminium gesättigt, und die behandelte Schlacke sieht matt und pudrig aus.


Bild 8 - Unbehandelte weiße Schlacke
mit hohem Aluminiumanteil [1]


Bild 9 - Flussmittelbehandelte dunkle Pulverschlacke
mit niedrigem Aluminiumgehalt [1]

Schlackenökonomie

Typischerweise reicht der Aluminiumgehalt in der unbehandelten Schlacke von 85 zu 90 %. Das Schmelzen im Ofen kann etwa die Hälfte dieser Menge zurückgeben., wenn du aktiv und energisch handelst.

Die flussmittelbehandelte und entrahmte Schlacke ist noch für die Weiterverarbeitung auf Nebenaggregaten geeignet, z.B, auf einer speziellen Brechpresse. Nach dieser Behandlung kann die Menge an verbleibendem Aluminium in der Schlacke etwa 25 % (Bild 10).

Es sollte notiert werden, dass all diese numerischen Indikatoren nur durch einen sehr mühsamen, sorgfältige und genaue Arbeit. Der Anteil an reduziertem Aluminium kann um 50 % und mehr, wenn die Verarbeitung und Entfernung von Schlacke unsachgemäß durchgeführt wird.


Bild 10 – Typischer Aluminiumgehalt: 1) Rohschlacke,
2) Schlacke nach dem Fluxen im Ofen und
3) Schlacke nach zusätzlicher mechanischer Behandlung [1]

Der Umgang mit Aluminiumschlacke variiert stark von Produktion zu Produktion.. Einige Industrien führen Flussmittel- und Raffinationsvorgänge sehr sorgfältig durch.. Andere schöpfen die Schlacke einfach in Behälter ab und schicken sie an lokale Schlackenrecycler.. Diese Schlacken machen einen Großteil der Metallverluste aus, die in der metallurgischen Schmelzindustrie vorkommen. Diese Verluste können sich auf 1-2 % vom Gewicht einer sauberen und trockenen Aluminiummischung, aber kann bis gehen 6-10 % und noch höher für kontaminierten Aluminiumschrott.

Effizienteste Aluminiumhütten verschiffen aluminiumhaltige Schlacke zum Recycling 40-50 %, in der Erwägung, dass diese Unternehmen, die im Ofen keine oder nur unzureichende Schlackenflussmittel erzeugen, kann aluminiumhaltige Schlacke versenden 75 und selbst 85 %.

So reduzieren Sie die Schlackemenge

Um die Schlackemenge zu reduzieren, das in schmelzenden Produktionsbetrieben entsteht, es wird empfohlen sich daran zu halten, soweit Art und Bauart des Ofens es zulassen, folgenden Regeln [1].

  • Sauber auftragen, trockene Aluminiumladung.
  • Einsatzstoffe mit hohem Masse-Oberflächen-Verhältnis verwenden, um die Menge an Oxiden zu minimieren, die in den Ofen eingebracht werden.
  • Beschichtungsflussmittel auftragen, um die Schmelze vor Oxidation zu schützen.
  • Minimieren Sie den Schmelzzyklus durch Rühren der Schmelze.
  • Halt, so viel wie möglich, geschlossene Öfen zur Reduzierung der Oxidation, besonders beim Halten der Schmelze.
  • Direkten Kontakt der Brennerflamme mit geschmolzenem Metall vermeiden.
  • Achten Sie auf das richtige Brennstoff-Luft-Verhältnis an den Brennern, um die Oxidationsbedingungen zu minimieren.
  • Widersteht geschmolzenem Metall bei der niedrigstmöglichen Temperatur.
  • Minimieren Sie die Übertragung von geschmolzenem Metall durch Rohrleitungen und Pfannen. Minimieren Sie Turbulenzen und Kaskaden beim Umgang mit Flüssigmetall.
  • Wenden Sie ein System zur Rückgewinnung und Extraktion von Aluminium aus Schlacke an.
  • Ofenwerkzeuge mit einer geeigneten Schutzschicht abdecken, die in flüssigem Aluminium nicht benetzt wird.
  • Spur, damit das Beschickungsfenster des Ofens hermetisch geschlossen ist.
  • Sorgen Sie für Überdruck im Hall-Schmelzofen.
  • Spur, dass die Thermoelemente funktionsfähig und richtig kalibriert sind, um die Temperatur der Aluminiumschmelze zuverlässig zu regeln.

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