Глобальный вторичный алюминий: структура производства и материальные потоки

Способность алюминия к рециклингу

Высокая способность алюминия к повторному применению после истечения срока службы алюминиевого изделия, в котором он содержался, вытекает из следующих его свойств [1]:

  • Высокая стойкость к коррозии при большинстве условий окружающей среды. Благодаря этому в отслужившем свой срок алюминиевом изделии сохраняется большая доля металла годного для переработки и повторного применения.
  • Энергия, которая требуется для переплавки этого «старого» алюминия в «новый» составляет только 5 % от энергии, которая требовалась для его первичной выплавки.
  • Гибкость легирования алюминия дает возможность применять большое количество промышленных алюминиевых сплавов, которые созданы специально с учетом возможности присутствия в них повышенного уровня загрязняющих примесей.

Целью любого производства вторичного алюминия является выпуск приемлемых по цене и качеству промышленных алюминиевых сплавов. В настоящее время более 300 химических составов для деформируемых и литейных сплавов имеют международную регистрацию. Многие из этих сплавов разработаны, чтобы допускать отклонения химического состава и уровень содержания примесей, которые могут возникать при переработке алюминиевого лома.

Роль вторичного алюминия

Переработка алюминиевого лома является сложным интерактивным процессом, который включает центры по сбору и переработке лома, производителей первичного алюминия, производителей вторичного алюминия, производств по обработке металла и потребителей алюминиевой продукции. На рисунке 1 показаны материальные потоки в алюминиевой промышленности, начиная от производителей первичного алюминия и через различные производства по переработке и переплавке алюминиевого лома. На рисунке 2 представлена модель структуры глобального производства вторичного алюминия, которая показывает материальные потоки различных видов алюминиевого лома и основные типы применяемого оборудования [2].

Рисунок 1 – Материальные потоки в глобальной алюминиевой промышленности:
роль вторичного алюминия [1]


Рисунок 2 – Материальные потоки в глобальном производстве
вторичного алюминия [2]

Производители вторичного алюминия: remelters и refiners

Вторичный алюминий из алюминиевого лома извлекают два типа промышленных предприятий, которые будем ниже для краткости называть «ремелтерами» (remelters) и рефайнерами» (refiners) [2]:

  • Ремелтеры:
    – переплавляют относительно крупный, чистый и мало окисленный алюминиевый лом (рисунок 3);
    – производят деформируемые сплавы (содержание легирующих элементов до 10 %);
  • Рефайнеры:
    – переплавляют окрашенный (рисунок 4), загрязненный и сильно окисленный алюминиевый лом, в том числе измельченный (рисунок 5), стружку (рисунок 6) и шлаки (рисунок 7);
    – производят литейные сплавы и алюминий для раскисления стали; литейные сплавы имеют содержание легирующих элементов до 20 %.

Рисунок 3 – Чистый алюминиевый лом [3]

Рисунок 4 – Окрашенный алюминиевый лом [3]

Рисунок 5 – Измельченный лом алюминиевых банок [3]

Рисунок 6 – Алюминиевый лом «стружка» [3]

Рисунок 7 – Алюминиевый шлак
с содержанием металлического алюминия 50-75 % [3]

Ремелтеры должны отбирать нужное количество и качество алюминиевого лома, чтобы «попасть» в химический состав заданного деформируемого алюминиевого сплава. Поэтому они предпринимают меры, чтобы тщательно разделять различные алюминиевые сплавы.

Рефайнеры работают в менее жестких условиях по отношению к различным алюминиевым сплавам. Они специализируются на переплавлении смешанных литейных и деформируемых сплавов в стандартизированные алюминиевые сплавы. Обычной практикой для рефайнеров является пропорциональное смешивание различных сплавов в партии шихты, которая предназначена для загрузки в печь.

Некоторая часть алюминиевого лома потребляется также производителями, так называемого, первичного фасонного литья.

Вторичный алюминий производят из покупного, давальческого и внутреннего алюминиевого лома. Давальческий лом – это лом, который остается в собственности заказчика и переплавляется за определенную плату. Лом, который образуется и переплавляется внутри одной и той же компании или группе компаний называется внутренним ломом. За небольшими исключениями рефайнеры являются отдельными малыми и средними предприятиями, а ремелтеры являются подразделениями предприятия или группы предприятий, которые производят какую-либо алюминиевую продукцию. Поэтому только ремелтеры производят вторичный алюминий из внутреннего лома.

Новый лом образуется на этапах производства алюминий и изготовления из него полуфабрикатов или готовой продукции. Старый лом образуется, когда содержащее алюминий изделие, достигает окончания своего срока службы, отправляется в лом, подвергается сортировке и перереплавляется.

Переплавка алюминиевого лома

Известно, что алюминий нельзя восстановить из его окисла до металла с помощью углерода или водорода вблизи его температуры плавления, как это происходит, например, с железом. В связи с этим при производстве первичного алюминия приходится применять энергоемкий электролизный процесс, чтобы восстановить металлический алюминий из оксида алюминия (Al2O3). Рециклинг алюминия ограничивается переплавкой (выплавкой) алюминия из алюминий-содержащих материалов, которые составляют алюминиевый лом. Это дает простой метод вычисления массового баланса при рециклинге алюминия (без учета влияния легирующих элементов) [2]:

(загрузка металлического алюминия в составе шихты) =
= (выход металлического алюминия) + (выход окисленного алюминия) /1,89

Все оксиды или другие неорганические неметаллические компоненты лома остаются при плавлении без изменения и при расчете массового баланса просто переходят с входа на выход. Соли (флюсы) остаются солями, которые нужны в основном как обволакивающий материал для неорганических неметаллических компонентов. Оксиды или попадают в печь как часть шихты или образуются в ходе процесса плавления. Летучие органические субстанции (например, масла, смазки) и влага уходят с отходящими газами, но могут нести некоторые компоненты, такие как соли или оксиды [2].

Плавильные печи для ремелтеров

Ремелтеры применяют:

  • в основном традиционные плавильные печи ванного типа без применения плавильных флюсов. Это обычно отражательные подовые печи различных видов: печи с передней загрузкой, шахтные печи, печи с наклонным (сухим) подом и т.п. (рисунки 8-10)

Рисунок 8 – Отражательная плавильная печь ванного типа
с передней загрузкой [4]

Рисунок 9 – Шахтная плавильная печь [5]

Рисунок 10 – Плавильная печь с наклонным подом и копильником [6]

Плавильные печи для рефайнеров

Рефайнеры применяют:

  • печи ванного типа без применения слоя плавильных флюсов с дополнительным электромагнитным перемешиванием, а также с боковым загрузочным колодцем (рисунок 11);
  • роторные (ротационные) печи со стационарной (фиксированной) осью вращения (рисунок 12);
  • роторные (ротационные) печи с наклоняемой осью вращения (наклоняемые роторные печи) (рисунок 13);
  • печи для переработки солевого шлака, которые выдают восстановленные (вторичные) флюсы и гранулированный алюминий;
  • оборудование для обработки влажной стружки;
  • другие типы печей (в небольшом количестве).

Рисунок 11 – Плавильная печь с загрузочным колодцем [6]

Рисунок 12 – Плавильная ротационная печь с фиксированной осью вращения [6]

Рисунок 13 – Плавильная ротационная печь с наклоняемой осью вращения [3]

Ремелтеры: особенности работы

Для ремелтеров основной характеристикой является качество шихты:

  • чистый лом, неокисленный и неокрашенный
  • в большинстве случаев – лом с одним типом алюминиевого сплава.

Выход металла является очень высоким, то есть содержание металла составляет от 96 % до 100 %. Такой лом не требует плавильных флюсов, которые предназначены для обволакивания неорганических неметаллических компонентов. Небольшое количество покровных флюсов требуется для защиты от окисления при образовании шлака. Ремелтеры могут применять различные типы печей, однако наиболее типичной является печь ванного типа, газовая и с наклонным подом. Около 0,15 % общего количества металла в загружаемой шихте превращается в оксиды. Горячий шлак, снятый с поверхности расплава, содержит около 70 % металла, в основном поглощенного шлаком. Этот шлак собирается в стальной ящик, где его покрывают слоем флюса (до 5 % от объема снятого шлака) для предотвращения окисления большей части шлака. Окончательное содержание металла в охлажденном шлаке составит около 60 %. Этот шлак направляют на переработку рефайнерам, которые переплавляют его под слоем флюсов.

Рефайнеры: особенности работы

Основными типами печей, которые применяют refiners, являются:

  • Роторные печи различных типов для плавления под слоем флюса окисленного, окрашенного или загрязненного лома, а также шлака. Роторные печи с фиксированной осью вращения образуют обычный жидкий солевой шлак, который содержит в среднем 50 % соли. Среднее окисление алюминия составляет 3 %. Содержание металла в шлаке составляет 8,5 % в момент его выгрузки. Для переплавки шлака больше подходят наклоняемые роторные печи.

Некоторые рефайнеры применяют подовые печи (часто – многокамерные) для лома с высоким содержанием органических загрязнений – для непрерывного плавления однородного типа лома. Эти печи работают без слоя флюса в отличие от ротационных печей. Эти плавильные печи обычно снабжены электромагнитной помпой, которая обеспечивает быстрое погружение в расплав, например, сухой алюминиевой стружки. Это обеспечивает уровень окисления стружки за время плавления не более 0,2 %.

Обычной практикой рефайнеров является сливать металл из плавильной печи с помощью желоба в специальную печь-миксер (holding furnace), которая предназначена для обработки расплава и передачи металла на литейные машины или в ковш для дальнейшей транспортировки. В этой печи расплав подвергают дегазации, корректировке химического состава сплава, отстаиванию и другим обработкам. Образующийся в этой печи шлак возвращают в роторную печь, с фиксированной осью вращения или наклоняемой.

Источники:

  1. Aluminum Recycling and Processing for Energy Conservation and Sustainability/ed. John A.S. Green – ASM International – 2007
  2. Melting Standardized Aluminum Scrap: A Mass Balance Model for Europe /U.M.J. Boin and M. Bertram – JOM, August 2005
  3. Aluminium Dross and Scrap Recycling – The Hybrid Tilting Rotary Furnace MASTERmax – www.kmf.at – 2021
  4. Handbook of Aluminium Recycling / Сh. Schmitz, 2006
  5. TALAT Lecture 3202 – The Liquid Metal / John Campbell and Richard A. Harding – 1994
  6. TALAT Lecture 1102 – Environmental Factors / Geoff Budd – 1994.