Расход газа на производстве алюминиевых профилей

Известно, что алюминиевая промышленность потребляет огромное количество природного газа. Поэтому в нынешней ситуации с глобальным подорожанием и нехваткой газа самое время подумать как снизить его потребление. Можно ли съэкономить газ на современном производстве экструдированных алюминиевых профилей? Попытаемся это сделать на примере производства алюминиевых профилей из сплавов серии 6ххх. Пока это будут только поставленные вопросы. Ответы попытаемся дать в последующих публикациях.

Алюминиевые сплавы 6ххх

Большинство сплавов 6ххх имеют:

баланс по содержанию Mg и Si для формирования соединения частиц Mg₂Si (6063 и 6061) или
избыточное содержание Si по сравнению с тем, которое необходимо для образования соединения Mg₂Si (6060 и 6062) – рисунок 1.

Разделительная линия соответствует содержанию железа 0,16 % [1].

Рисунок 1 – Наиболее популярные алюминиевые сплавы серии 6ххх [1]

Подавляющее большинство из всего мирового объема производства алюминиевых профилей составляют профили из сплавов 6060 и 6063. Эти сплавы относятся к серии 6ххх и являются типичными термически упрочняемыми алюминиевыми сплавами. Это означает, что они достигают своей конечной прочности за счет термической обработки, а не пластической (холодной) деформации (нагартовки).

Главными легирующими элементами этих сплавов являются магний (Mg) и кремний (Si), которые образуют соединение Mg₂Si в виде частиц в трех основных формах:

β“-Mg₂Si – самые мелкие выделения. Имеют стержневую форму. Дают максимальный вклад в прочностные свойства.
β`-Mg₂Si – выделения стержневой формы, но больших размеров. Вырастают из частиц категории β“. Дают минимальный вклад в прочностные свойства.
β-Mg₂Si – самые большие выделения. Имеют кубическую форму. Не дают никакого вклада в прочностные свойства.

Цикл производства алюминиевых профилей из сплавов 6ххх

В ходе изготовления прессованных алюминиевых профилей из сплавов 6xxx эти сплавы подвергают сложной комбинации термических и термомеханических процессов. На каждом этапе происходят изменения структуры сплава, в том числе растворение, выделение или укрупнение частиц силицида магния (Mg₂Si). Эти изменения могут положительно или отрицательно влиять на конечные механические свойства готовых профилей.

Цикл производства профилей включает (рисунок 2):

Плавление алюминиевого лома или первичных и вторичных плавильных слитков
Литье экструзионных слитков (столбов)
Гомогенизация (термическая обработка слитков)
Нагрев слитков (заготовок) перед экструзией
Горячая экструзия (прессование)
Охлаждение (закалка) профилей на выходе из пресса
Термическое упрочнение (старение).

Рисунок 2 – Термические и термомеханические процессы при изготовлении прессованных алюминиевых профилей из сплавов 6xxx [1]

Потребление газа при производстве алюминиевых профилей

Рассмотрим потребление природного газа на примере типичного современного комплекса оборудования для производства алюминиевых профилей из алюминиевого лома [2].

Общее потребление газа на тонну алюминия составляет 1135-1255 кВт∙ч,

в том числе:

Two-chamber melting furnace: 660-700
Casting furnace: 30-50
Homogenising furnace: 195-205
Billet heating furnace: 175-215
Ageing furnace: 75-85

Считается, что один кубический метр природного газа эквивалентен 10,6 кВт∙ч [2].

Старое оборудование требует больше газа

Отметим, что приведенные выше данные по расходу газа относятся к современному производству, на котором все печи и тепловые агрегаты снабжены системами рекуперации и регенерации. Это обычно позволяют экономить 15-20 % топлива. Поэтому, если оборудование на вашем заводе не имеет этих передовых технологий, то потребления газа будет выше, как минимум, на эти 15-20 %.

Где можно сэкономить газ?

Количество тепла, которое нужно внести в алюминий при его плавлении или нагреве заготовки перед экструзией определяется физическими характеристиками алюминия, твердого и жидкого (рисунок 3).

Рисунок 3 [3]

Регенерация и рекуперация

Если плавильная и раздаточная печи, а также печь нагрева заготовок уже имеют системы регенерации и рекуперации, то снизить потребление газа на них уже трудно. Если эти системы отсутствуют, то это реальная возможность экономии газа. Однако это оборудование требует вложения значительных средств.

Гомогенизация экструзионных слитков

Необходимо принимать во внимание, что технологичские режимы гомогенизации алюминиевых экструзионных слитков разрабатывались еще в 1970-е годы. В то время стоимость природного газа была намного ниже, чем в настоящее время.

Процесс гомогенизации слитков из сплавлв 6ххх при температуре 560-585 ºС обічно проходит в течение 5-10 часов.

Цели гомогенизации (рисунок 4):

Растворить все частицы Mg₂Si в алюминиевой основе (красная линия)
Перевести железосодержащие частицы из типа β в тип α (синяя линия).

Рисунок 4 [1]

Вопрос №1:

Насколько оправдана типичная выдержка слитков из сплава 6063 в течение 5-6 часов, а то и 8 часов? Судя по графику рисунка 4 основные процессы гомогенизации проходят за 2-3 часа.

Искусственное старение сплавов 6ххх

Сплавы 6ххх являются типичными термически упрочняемыми алюминиевыми сплавами. Это означает, что они достигают своей конечной прочности за счет термической обработки, а не пластической (холодной) деформации (нагартовки).

Главными легирующими элементами этих сплавов являются магний (Mg) и кремний (Si), которые образуют соединение Mg₂Si в виде частиц в трех основных формах (рисунок 3):

β“-Mg₂Si – самые мелкие выделения Mg₂Si. Имеют стержневую форму. Дают максимальный вклад в прочностные свойства.
β`-Mg₂Si – выделения стержневой формы, но больших размеров. Вырастают из частиц категории β“. Дают минимальный вклад в прочностные свойства.
β Mg₂Si – крупные выделения Mg₂Si. Имеют кубическую форму. Не дают вклада в прочностные свойства.

Рисунок 5 [1]

Прочность сплавов серии 6ххх прямо связана со способностью материала сопротивляться движению дислокаций в процессе деформации. Эти дислокации образуются и двигаются через материал при приложении к нему напряжений. При увеличении напряжений количество и плотность дислокаций, которые проходят через материал, возрастают до тех пор, пока он не разрушится. Пик механических свойств достигается при максимальной плотности распределения мелких частиц β“Mg₂Si.

Температура нагрева и длительность выдержки

Окончательные прочностные характеристики, например, сплава 6063 в результате искусственного старения сильно зависит от температуры в печи и длительности (рисунок 5):

Чем выше температура, тем быстрее достигается пик прочности
Чем выше температура н, тем ниже прочности
При температуре выше 170 ºС пик прочности практически не достигается

Рисунок 6 [4]

Вопрос №2:

Не пора ли применять режимы печного искусственного старения с более коротким циклом?

Экономическая технология

В нынешней ситуации с резким подорожанием природного газа нужно срочно искать пути сокращения его потребления, в том числе, в случае производства экструдированных алюминиевых профилей. Применяемые в настоящее время технологии разрабатывались, когда природный газ был очень дешевым. Поэтому применяемые сегодня технологические параметры и технические требования вполне могут быть чрезмерными. Их нужно проанализировать и пересмотреть принимая во внимание современные экономические реалии. Любое высокое качество продукции должно быть экономически оправдано.

Источники:

Basic Metallurgy 6000 series Extrusion Alloys, Comalco Publication
Energy-optimised route from aluminium scrap to extruded semi-finished products /G. Valder and H. Pfeifer – Otto Junker – 2014
Direct Charged Melter / D. F. Whipple – 2004
Precipitatation Aging / R.W. Hains, Alcan Canada Products, Ltd. – Extrusion Technology Seminar 1977