Вторичный алюминий

Роль вторичного алюминия

Треть мирового потребления

Сегодня на вторичный алюминий приходится около трети мирового потребления алюминия. Первоначальные причины переработки были коммерческими, а также экологическими. Переработанный алюминий обеспечивает значительную экономию энергии, так как используется около 5% энергии, необходимой для производства первичного алюминия. В западном мире показатели переработки высоки: от 60 % для использованных банок для напитков (UBC) до 85 % в строительстве и 95 % в транспорте. Качество алюминия не ухудшается при переработке – его можно повторно перерабатывать, поэтому алюминий сохраняет высокую стоимость лома. Почти 100% лома, образующегося при производстве алюминиевых изделий, перерабатывается.

Преобладающее использование (около 70%) переработанного алюминия приходится на производство алюминиево-кремниевых литейных сплавов, которые в основном используются в автомобильной промышленности, а остальная часть преобразуется в деформируемые сплавы для повторного использования в виде листов или экструдированной продукциию. Небольшая доля превращается в раскислитель для сталелитейной промышленности.
Ремелтеры и рефайнеры

В большинстве стран существует устоявшийся рынок вторичного алюминия с четко определенными цепочками сбыта. Существует два типа производителей вторичного алюминия – refiners и remelters [1]:

Refiners производят литейные сплавы и раскисленный алюминий из старого и нового лома и поставляют их в слитках или в расплавленном виде. В дополнение к легированию в соответствии с требуемой спецификацией, refiners могут флюсовать металл для улучшения его качества за счет удаления оксидов и интерметаллидов, а иногда и удаления таких элементов, как магний и кальций.
Remelters производят деформируемые сплавы в основном из чистого и отсортированного лома деформируемых сплавов и поставляют их в виде прокатных слябов, экструзионных заготовок или лигатур. Сплавы поставляются в соответствии с международными стандартами и/или спецификациями заказчика.

Fig. 1 – Место ремелтеров и рефайнеров в производстве алюминия [2]

Источники алюминевого лома

На Fig. 2 показано распределение переработанного лома по рынкам-источникам. Первый значительный импульс к росту вторичной переработки алюминия был связан со скромной алюминиевой банкой. Алюминиевая банка действительно была лицом переработки алюминия с 1970-х годов. Интенсивный маркетинг сбора жестяных банок привел к осознанию реальной ценности алюминиевого лома, и это было продолжено как правительствами, так и местными сообществами в их стремлении сократить количество свалок и создать устойчивую окружающую среду [1].

Fig. 2 – Global recycling scrap by market [1]

Упаковка, на которую приходится всего около 12% потребления алюминия. Это связано, в том числе, с относительно коротким сроком службы алюминиевой упаковки (Tabl. 1).
Транспорт является наиболее важной отраслью для применения алюминия. Так, в 2007 году почти 30 % кованых и литейных сплавов пошли на транспорт, автомобили, поезда, корабли, самолеты и т. д. [1].
В последние несколько десятков лет алюминий все чаще используется в компонентах автомобильной трансмиссии. Поскольку средний срок службы автомобилей составляет 13-20 (Tabl. 1), этот источник алюминевого лома очень важен для производства вторичного алюминия.
На строительную промышленность приходится около 25% потребления алюминия, но при относительно длительном сроке службы в 35–40 лет он только за последние годы стал важным источником алюминиевого лома [1].

Table 1 – Product Life and Recycling Effectiveness for Market Types of Aluminum Scrap [3]

Сырье для вторичного алюминия

Категории алюминиевого лома

Источники сырья для вторичного алюминия включают:

технологические отходы алюминиевого производства – так называемый “новый” лом
бывшие в употреблении алюминиевые изделия
металлическую стружку и
щлак, образующийся в процессе плавки.

Химический состав каждой категории лома будет определять отрасль промышленности, в которой он в конечном итоге будет использоваться. Кремнийсодержащие алюминиевые литейные сплавы могут вмещать большее разнообразие отходов, поскольку их пределы содержания примесей шире, чем у деформируемых сплавов. Однако литейные сплавы имеют более низкую добавленную стоимость, чем деформируемые сплавы, и поэтому использование некоторых отходы должны быть ограничены не из-за состава, а на основе стоимости. Например, все алюминиево-кремниевые литейные сплавы можно производить исключительно из отходов экструзии и легирующих добавок, таких как кремний, медь и т. д., однако более низкая стоимость литейных сплавов делает это невыгодным. Большая часть лома, который перерабатывают ремелтеры, представляет собой внутренний производственный лом от производства заготовок и слябов.

Весь собранный лом сортируется, обрабатывается и классифицируется по различным категориям лома для продажи рефайнерам или ремелтерам. Алюминиевый лом продается в соответствии с международными спецификациями. Существует около 40 сортов алюминиевого лома, определенных Институтом промышленности по переработке лома (ISRI).

“Новый” лом

Преимущество новых производственных отходов заключается в том, что их можно легко разделить на различные сплавы, они, как правило, не содержат примесей, которые могут быть загрязнителями, и требуют минимальных трудозатрат для предварительной обработки перед плавлением.
Во многих случаях лом не имеет покрытия и, следовательно, будет иметь более высокий возможный выход металла. Предварительная обработка лома может включать прессование, резку и удаление окраски. К этой категории лома относится также отходы и брак литейных производств.
Примером типичных спецификаций ISRI для нового лома являются:

Tough – отходы производства в виде смешанных обрезков и кусков неокрашенного алюминия
Tata – технологические отходы и брак алюминиевых профилей из одного сплава (Fig. 3).

Fig. 3 – Tata – new production aluminium extrusions.
Shall consist of one alloy (typically 6063).
Material may contain ‘butt ends’ from the extrusion process
but must be free of any foreign contamination.
Anodized material is acceptable [1]

“Старый” лом

Эта категория будет включать продукты, срок службы которых может составлять от нескольких недель в случае UBC до примерно 12 лет для автомобильных источников или даже 30 лет и более в случае строительных материалов. Они будут собраны из самых разных источников и, как правило, требуют сортировки перед какой-либо дальнейшей предварительной обработкой для плавления. Они неизменно будут загрязнены одним или несколькими красками, лаковыми покрытиями, грязью, пластиком, маслом, смазкой и различными металлическими и неметаллическими насадками.

Наиболее распространенные спецификации ISRI “старого” лома:

Taint/tabor – чистый смешанный листовой алюминий, бывший в употреблении (Fig. 4)
Tense – смешанные алюминиевые отливки (Fig. 5)
Талдон – алюминиевый лом UBC в пакетах (Fig. 6)
Telic – смешанная алюминиевая стружка

Fig. 4 – Taint/tabor – clean mixed old alloy sheet aluminium.
Shall consist of clean old alloy aluminium sheet of two or more alloys,
free of oil, venetian blinds, castings, hair wire, screen wire, food beverage containers,
radiator shells, airplane sheet, bottle caps, plastic, dirt and other non-metallic items.
Oil and grease is not to total more than 1%.
Up to 10% of Tale permitted (painted siding) [1]

Fig. 5 – Tense – mixed aluminium castings.
Shall consist of clean aluminium castings which may contain auto and
airplane castings but no ingots, and
to be free of iron, brass, dirt and other non-metallic items.
Oil and grease are not to total more than 2% [1]

Fig. 6 – Taldon – baled aluminium UBC scrap.
Shall have a minimum density of 225 kg/m³ for unflattened UBC and
(353 kg/m³) for flattened UBC [1]

Производство вторичного алюминия

Печи плавления вторичного алюминия

Разработаны процессы плавления, которые подавляют окисление алюминия в ходе его плавления. При производстве вторичного алюминия широко применяются печи, в которых лом сразу погружается в ванну жидкого алюминия. Есть печи, в которых плавление происходит при полной изоляции расплава от окружающего воздуха. Сильно загрязненный алюминиевый лом плавят под защитным слоем флюса в специальных роторных печах. Применяемый флюс не только защищает расплав алюминия от окисления, но и помогает отделять оксидную пленку от жидкого алюминия и очищать от нее расплав. Кроме применения флюса при плавлении алюминия, применяют добавки для очистки расплава или добавляют небольшие количества легирующих элементов.

Подробнее о печах, которые применяются при производстве вторичного алюминия здесь.

Выплавка вторичного алюминия

Производство вторичных алюминиевых сплавов обычно начинают с лома, химический состав которого близок к тому, что указан в заказе потребителя. Это может быть легко, если это однородный лом бракованных алюминиевых отливок или лом алюминиевых пивных банок. И это значительно сложнее, если это случайно собранный алюминиевый лом.

В большинстве случаев лом, загружаемый в плавильную печь, не вполне соответствует требованиям к конечному химическому составу заданного алюминиевого сплава. Поэтому необходимо вводить в расплав дополнительные легирующие добавки. Они могут быть из имеющегося лома, чистыми элементами или специальными сплавами – лигатурами. Обычно часть легирования производится в плавильной печи, окончательное легирование – в разливочной печи. Поэтому эти печи должны быть приспособлены для таких операций.

В алюминиевых плавильных печах применяют специальные добавки для защиты жидкого металла от окисления, удаления загрязнений или измельчения зерна в готовых слитках. Кроме того, в самой плавильной печи или во время передачи расплава к разливочному оборудованию производят обработку расплава такими газами, как аргон, хлор или азот, а также смесями этих газов.

Подробнее об обработке алюминиевого расплава из вторичного алюминия здесь.

Применение вторичного алюминия

В старые добрые времена переработка алюминия была намного проще. Лом собирали хороший – да и лома тогда было мало – и просто переплавляли. Получаемые при этом вторичные сплавы более или менее устраивали заказчиков. Ими разбавляли литейные сплавы при разливке отливок на литейных предприятиях. Проблем с экономией энергии тогда еще не было. С ростом потребления и применения алюминия его переработка стала более сложной. Сейчас заказчики хотят получать готовые вторичные алюминиевые сплавы, которые имеют заданный химический состав, потому что у многих из них оборудование позволяет только плавить готовый сплав и разливать его, а не обрабатывать или легировать его.

Раскисление стали

Удобнее всего применять вторичный алюминий при производстве чушек и гранул – там большой простор для примесей, которые содержатся в алюминиевом ломе. Эти чушки и гранулы применяются для раскисления стали и других нужд черной металлургии.

Литейные сплавы

Литейные сплавы допускают повышенное по сравнению с деформируемыми сплавами содержание примесей, например, железа. В сплавах для литье под давлением максимальное содержание железа может составлять до 3,0 %. Поэтому вторичный алюминий широко применяется при приготовлении литейных сплавов.

Деформируемые сплавы

Деформируеые сплавы содержат намного меньше примесей, в том числе железа, чем в литейных сплавах. Поэтому приготовление их из вторичного алюминия – более трудная задача. Как правило, вторичным алюминием разбавляют первичный алюминий или чистые производственные отходы до пределов содержания примесей, допускаемых требованиями стандарта или заказа.

Источники:

Production of secondary aluminium /G. Wallace // Fundamentals of aluminium metallurgy – Ed. Roger Lumley – 2011
Aluminium Recycling in Europe The Road to High Quality Products – EAA/OEA Recycling Division
Aluminum Recycling /Mark E. Schlesinger – CRC Press, Taylor & Francis Group – 2007