Технология плавки алюминия

ПЛАВКА ТОНКОСТЕННОГО ЛОМА С ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Опубликоват

Ибрагимов В.Э. 1 , Гарсиа Л.М. 2 , Бажин В.Ю. 3

1 Магистр кафедры металлургии, 2 Аспирантка кафедры АТПП, 3 Заведующий Кафедрой АТПП, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

ПЛАВКА ТОНКОСТЕННОГО ЛОМА С ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

В работе изучается проблема переработки загрязненных алюминиевых отходов доля которых неуклонно увеличивается в производстве вторичных сплавов. В лабораторных условиях проведены плавки, при которых шихта была сформирована из алюминиевого лома в виде тонкоизмельченных банок. Полученные отливки были проанализированы химическими и металлографическими методами, и выявлены основные показатели, влияющие на выход годного продукта. Изучен состав и содержание веществ, выделяющихся газообразных продуктов в ходе процесса плавления для оценки их влияния на окружающую среду. Научно обосновано необходимость выбора плавильного оборудования для переплавки загрязненных тонкостенных алюминиевых отходов.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, тара для напитков, лакокрасочные покрытия, рециклинг алюминия.

Ibragimov V.E. 1 , Garcia M.L. 2 , Bazhin V.Y. 3

1 Master of the Department of Metallurgy, 2 Postgraduate student of the Department ATP, 3 Head of the Department ATPP, Professor, National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg

MELTING OF THIN WALLED PAINT SCRAP COATINGS FOR ALUMINUM ALLOY PRODUCTION

Abstract

In this paper the problem of contaminated aluminum waste recycling the percentage of which steadily increases in the production of secondary alloys are investigated. In laboratory furnaces had meltings in which the charge was fully formed from the aluminum scrap in the form of finely divided aluminum cans. The resulting casting of aluminum alloy were analyzed by chemical and metallographic methods and carried out additional experiments to identify the main factors influencing the yield of the product metal. The composition and content of substances, gaseous products evolved during the melting process to assess their negative impact on the environment. Scientifically substantiated need for the selection of equipment for melting contaminated aluminum scrap thin.

Keywords: aluminium alloy, containers for beverages, coatings, recycling aluminum.

Введение

В настоящее время во всех странах увеличивается доля производства вторичных алюминиевых сплавов, из-за роста оборота упаковочной тары и мелких металлических отходов. К такому типу алюминиевых отходов относят не только алюминиевые банки из-под напитков, но также металлическую посуду, оконные рамы, крашенные автодетали, которые используются для повторного производства (рециклинга) аналогичных изделий [1]. Значительная доля отходов приходится и на скрап, загрязненный красками, лаками и различными органическими покрытиями [2].

Часть предприятий, занимающихся рециклингом алюминия плавит алюминиевые банки, и другие виды ломов с лакокрасочными покрытиями в пламенных отражательных печах, не принимая во внимание специфику переплава данной шихты, которая должна быть основана на современных экономических и экологических особенностях производства [3].

Плавка в отражательных печах имеет ряд существенных недостатков, в которых, в отличие от роторных печей, невозможно автоматизировать процесс, и управлять атмосферой печи, что необходимо при переплаве ломов с лакокрасочными и другими органическими покрытиями.

Эффективность плавки в отражательных камерных печах достигается только загрузкой шихты в слой расплава – «болото» [3], что исключает возможность правильной подготовки шихтовых компонентов с лакокрасочными покрытиями, в первую очередь из-за необходимости постоянного поддержания температуры в печи в интервале 700–800 ˚С. Применение такой технологии, даже при организации многоступенчатого рафинирования и дегазации расплава, неизбежно приводит к большому количеству неметаллических и оксидных включений в отливках.

Если материал, загружаемый в печь, сильно загрязнен оксидами и органическими компонентами (красками и лаками), необходимо создать условия для удаления покрытия и предотвратить выгорание органических веществ вместе с алюминием (эффект угара) [4]. При этом топочная система печи должна обеспечивать достаточное количество избыточного воздуха для выгорания органических компонентов, которые воспламеняются при контакте с горячим пламенем горелки. Наиболее подходящим оборудованием для решения подобных задач являются роторные барабанные печи с возможностью регулирования атмосферы печи.

Целью работы являлось получение однородного материала из алюминиевого сплава заданного химического состава после вторичной переработки и плавки алюминиевой тары от напитков для дальнейшего производства алюминиевых полуфабрикатов.

Результаты экспериментов являются основанием для перевода переплавки вторичного сырья с лакокрасочными покрытиями с подовых отражательных печей на более технологичные плавильные мощности ‒ барабанные роторные наклонные печи (РНП).

Хроматографический и масс-спектрометрический анализ газов, выделяющийся из алюминиевых емкостей для напитков

Для проведения анализа состава выделяющихся газов в виде химических соединений из загрязненного алюминиевого лома проводили выдержку порции 5 г при температуре 200 о С и 650 о С. Пробы измельченного и дробленного алюминиевого лома взвешивали и вставляли в стеклянную капиллярную трубку, которую помещали в печь при заданной температуре.

Читайте также:  Американские легковые автомобили, марки модели, список, 2019-2020

Первый забор выделившихся компонентов проводили в течение 20 минут при закачке и вытяжке литра гелия через трубку. Выделившиеся вещества собирали в сорбционной трубке заполненной комбинированным угольным фильтром 300 из трех сорбентов, размещенных последовательно (угольный фильтр и сито SII). Полученные сорбционные трубки обрабатывали методом термической десорбции в агрегате Tekmar 6000. Определение фазового составов образцов на автоматизированном рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-6000, с использованием поисковой системы рентгенофазовой идентификации материалов. Отходящие газы анализировали с помощью масс-спектрометра Pfieffer Vacuum Termostar GSD301T3 при интерпретации измеренных масс спектров (рис. 1).

Рис. 1. Масс-спектры выделившихся соединений при 300°C

Рис. 2. Данные термогравиметрического анализа

Тестирование плавления и выход годного металла

В ходе экспериментов проведены три плавки из алюминиевого лома в виде тонко измельченных банок Полученные отливки из сплава были проанализированы химическими и металлографическими методами.

Первоначально взвешивали шихтовые материалы, содержащие 1,5 кг мелкоизмельченных отходов алюминиевой упаковки для напитков для каждой отливки (№1, 2 и 3). Для качественного определения количества измельченных банок использовали весы со шкалой от 5 г до 1000 г, и погрешностью в 0,1 г. Шихту загружали в графитовый тигель и помещали в камеру триплекс плавильного комплекса Горного Университета. Плавку проводили при температуре 780 о С и, после расплавления отходов добавляли флюс (20 г). Далее расплав перемешивали, чтобы взять пробу с поверхности металла. Сплав отливался в круглую форму, и после охлаждения взвешивался для расчета выхода годного металла по следующей формуле:

Выход годного металла после плавок изменялся от 75% до 83% (плавка №1 – 75,5%, плавка №2 – 79,2% и отливка №3 – 83,1%).

При переработке тары для напитков в промышленном масштабе с целью достижения более высокого уровня выхода годного металла, более подходящим способом подготовки загрузки является использование операции дробления банок, с последующим прессованием лома в «брикеты» [6]. Наряду с прессованием, для повышения выхода годного используется способ загрузки лома в уже расплавленный металл – «болото» [7].

Исходя из вышесказанного, на аналогичном оборудовании были проведены дополнительные эксперименты по изучению влияния высоты слоя металла на выход годного (табл.1 и рис. 3). Образцы полученного алюминиевого сплава отбирали по 100 г в каждом опыте, и слой алюминия в тигле повышался с каждой плавкой и определяли выход годной продукции.

Таблица 1 – Показатели эксперимента по изучению влияния высоты слоя металла на выход годного

Из полученных результатов экспериментов можно сделать вывод, что с увеличением слоя металла на подине печи увеличивается выход годного, но при этом увеличивается количество шлака, что приводит к потере металла.

Рис. 3. Влияние слоя металла на выход годного

На практике, целесообразно плавить мелкие загрязненные лома, а также стружку в индукционных печах с заданным слоем металла. При заданном температурном режиме, именно в этих печах можно добиться более высокого выхода годного металла.

Спектрометрический анализ образцов после плавления

Для определения химического состава образцов №1, 2 и 3 после плавки и литья алюминия в формы, отбирались требуемые для спектрометрического анализа аншлифы. Определение элементного и фазового составов образцов расплава проводили на дифрактометре ДИФРЕЙ-402 (г. Санкт-Петербург).

В результате выявлено более 20 элементов. Результаты анализа отдельных образцов отливок №1, 2 и 3 представлены в следующих таблицах.

Все образцы близки по составу к сплаву системы Al-Fe-Mn (по американской классификации это сплавы EN AW 3103 или EN AW 3003) с содержанием отдельных элементов Mn 0,9- 1,5% (таблица 2).

Таблица 2 – Процентное содержание элементов в отливках

Содержание основных примесей находится в пределах, масс. %: 0,34-0,90 по Fe, 0,32=0,34 по Si и 0,02-0,2 по Zn. Содержание Al изменяется в интервале 96-98%

Металлографическое исследование образцов

Полученные алюминиевые отливки каждой отдельной партии, размещали в круглые формы, разрезали по оси в центральной части. Далее темплеты полировались с последующим травлением раствором 10% фосфорной кислоты в течение 5 мин. Структурное исследование осуществлялось методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа на растровом электронном микроскопе JSM-6460 LV (JEOL, Япония) с аналитической приставкой INCA (Великобритания).

Рис. 4. Микроструктура: а – отливка №1, б – отливка № 2, в – отливка № 3

Видно, что микроструктура отливки №1 принципиально отличается от других двух отливок, т.к. содержит повышенное количество железа, которое проявляется при помощи металлографического анализа в наличии большого числа грубых игл интерметаллических фаз типа FeSiAl5 с размером 30-70 мкм (рис. 4, а). Микроструктура отливки №2 (рис. 4, б), также как и отливки №3 (рис. 4, в), имеет разветвленные интерметаллические фазы типа AlFe(Si)Mn, которые называются обычно «китайский шрифт» размером 80-200 мкм. В отливке №3 проявляется дендридная структура более очевидно, это объясняется тем, что литье проводили в жидко-твердом состоянии

Читайте также:  Можно ли ездить на перекачанных шинах

Микроструктура всех отливок имеет высокий уровень местной междендритной пористости с оксидными пленами различных форм.

Заключение

При температурах от 200-350 о С, с поверхности алюминия выделяется значительное количество опасных химических соединений. Термогравиметрические и масс результаты исследования указывают на то, что потери летучих соединений составляют 3-4% от потерь алюминия.

Все исследуемые отливки близки по составу к сплаву EN AW 3103 или EN AW 3003 с содержанием Mn 1,1-1,5% и Al 96,3-97,9%.

Полученные результаты плавки для отдельных отливок позволяют предположить, что выход годного металла изменяется в пределах 70-80%.

Весь объем полученных отливок является компактным и однородным, без усадки, пор и следов переплавки отходов. В микроструктуре всех образцов можно увидеть появление карбидов, из-за наличия пластиковых отходов и красителей, при их реакции с алюминием. С увеличением количества оксидных пленок увеличивается междендритная пористость.

Для повышения качества отливок необходимо проводить рафинирование и дегазацию, также добавить операцию фильтрации через керамический фильтр, а так же важно технологически правильно обжигать шихту перед плавлением, что не возможно в отражательных подовых, но осуществимо в роторных печах с регулированием атмосферы печи.

Технология плавки алюминиевых сплавов

Основные технологические приемы, используемые при плавке большинства алюминиевых сплавов, примерно одинаковы и не зависят от типа плавильного агрегата. Исключением являются сплавы, легированные большим количеством магния (5… 10 %), а также жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы.

Процесс приготовления жидкого металла можно разделить на несколько этапов: пуск печи, подготовка и загрузка шихты, расплавление и перегрев металла, рафинирование и в некоторых случаях модифицирование.

Пуск печи после капитального ремонта футеровки требует продолжительного и равномерного нагрева во избежание растрескивания футеровки. Эта операция во многом определяет длительность эксплуатации печи. Чем сложнее конструкция футеровки и больше ее габариты, тем продолжительнее должен быть период сушки и разогрева. Сушка футеровки индукционной тигельной печи продолжается обычно в течение нескольких суток. Газопламенные печи для плавки алюминия на ВАЗе сушат и разогревают около 30 сут, а продолжительность их бесперебойной работы после этого не менее семи лет.

Непросушенные футеровка и плавильный инструмент являются, кроме того, причиной газовой пористости в отливках.
Шихта для плавки алюминиевых сплавов не должна быть влажной и загрязненной маслом, эмульсией, землей. Все компоненты шихты, вводимые в жидкий металл, должны быть нагреты до 150…200°С во избежание выбросов металла. В состав шихты входят чушковый первичный алюминий и первичные литейные алюминиевые сплавы, возврат, лом и отходы. Тугоплавкие легирующие элементы, например никель, медь, марганец, титан, а также легкоокисляющиеся элементы вводят в виде лигатур с целью облегчения их растворения и уменьшения угара. В табл. 15.1 приведены составы и температуры плавления лигатур, а также температура расплава, при которой легирующий компонент вводится в расплав при выплавке лигатуры. Выплавку лигатур лучше всего проводить в индукционных тигельных печах.

Тугоплавкие лигатуры выплавляют в шамотно-графитовых тиглях. Плавку ведут под покровными флюсами. После расплавления и перегрева алюминия небольшими порциями вводят легирующую добавку. Расплав непрерывно перемешивают для более быстрого и равномерного расплавления добавки. В конце плавки проводят рафинирование.

Расчет шихты на ЭВМ при использовании однородной по физическому состоянию шихты ведут с учетом средней для всех компонентов шихты величины угара элементов (см. табл. 9.9). По результатам первых плавок принятые величины угаров корректируются.

Инструкция по плавке алюминия в бытовых условиях

Алюминий используется в быту и промышленности на протяжении многих лет. Свойства материала позволяют создавать разнообразные изделия. Плавка алюминия может выполняться в домашних условиях, поскольку для этого не требуется высокая температура. Свойства металла нужно знать, чтобы правильно провести такую процедуру.

Характеристики

Чистота материалов определяет температуру их плавления. Алюминий пригоден для проведения разных технологических процедур, благодаря небольшому весу и хорошей пластичности. При высокой температуре происходит взаимодействие с кислородом. На поверхности металла возникает оксидная пленка, которая защищает его от коррозии и окисления. Плавление алюминия способствует изменению структуры вещества, поэтому защитное покрытие полезно для него. Усадка и дополнительное внутреннее напряжение появляется при резком охлаждении.

Особенности технологического процесса

Тигель — это тугоплавкая емкость для разогрева металла. Используются изделия из таких материалов:

  • Фарфор.
  • Сталь.
  • Чугун.
  • Корунд.

В бытовых условиях применяется готовый тигель или емкость из широкой железной трубы. Чтобы изготовить ее, потребуется болгарка и сварочное оборудование. Объем тигля выбирается индивидуально, емкость прогревается равномерно, измельченный металл плавится в результате теплопередачи.

Перед термообработкой нужно уменьшить температуру плавления, чтобы состояние металла менялось быстрее. Для этого алюминий дробят на мелкие фрагменты. Воспламенение или окисление происходит часто после такого измельчения. Состояние образовавшегося оксида алюминия меняется при более высоких температурах. Это вещество удаляется вместе с другими шлаками после переплавки основного металла.

Читайте также:  Как улучшить обслуживание клиентов полезные советы Медиа Нетологии университет интернет-профессий

В процессе термообработки придется избегать попадания жидкости в тигель. Резкое испарение воды становится причиной взрыва. При погружении металла в емкость необходимо убедиться в том, что на нем отсутствует влага. Чаще всего плавят алюминиевую проволоку. Сначала материал делится на фрагменты ножницами, затем сдавливается пассатижами. Такой способ позволяет предотвратить воздействие кислорода на металл. Если нет необходимости в получении деталей высокого качества, измельчать сырье не нужно.

Технологию литья придется смоделировать самостоятельно при необходимости получить расплавленный алюминий в бытовых условиях. Материал предварительно очищается от грязи, примесей, шлаков. Крупные заготовки делятся на несколько малых фрагментов. Метод отливки требует соблюдения инструкции: для плавки металла используется самый удобный способ. Шлак удаляется с поверхности текучего вещества. Жидкий алюминий наливают в форму, которая разбивается после затвердевания.

Какой источник тепла использовать?

Для переплавки алюминия в бытовых условиях применяются:

  • Муфельная печь, которую можно изготовить самостоятельно. Это эффективный метод, позволяющий быстро расплавить алюминий.
  • Паяльная лампа может расплавить алюминий в малых количествах.
  • Иногда используется газовый резак.

Из кирпичей сооружается очаг, каркас изготавливается из металлической емкости. Сбоку сверлится отверстие для подачи кислорода. К металлической трубке присоединяется пылесос, фен или другой прибор, нагнетающий воздух. После разведения огня тигель помещают в очаг.

Чтобы добиться лучшей термообработки, по бокам тоже выкладываются угли. Чтобы избежать потери тепла, можно соорудить крышку, оставить отверстия для выхода дыма. Если металл нужно расплавить один раз, нет необходимости оборудовать печь. Простая газовая плита поможет раскалить алюминий до нужной температуры. Небольшие куски металла плавятся примерно за полчаса.

Обычно жестяная банка применяется в качестве тигля. Чтобы добиться равномерного распределения температуры, емкость с алюминием помещают в другую банку таким образом, чтобы зазор между стенками равнялся 1 см. Чтобы обеспечить доступ пламени, нужно проделать в большой банке несколько отверстий по 3-4 см в диаметре. Рассекатель на конфорке удалять необязательно. Так можно добиться равномерного обогрева банки с металлом. Большую жестянку накрывают крышкой, чтобы тепло не выходило.

Как сделать форму для отливки

Создание простого материала для припоя не требует изготовления специальной формы. Можно вылить металл на стальной лист.

Для создания формы используются такие материалы:

  • Гипс.
  • Песок.
  • Глина.
  • Каменноугольный пепел.
  • Жидкое стекло.

Сплав заливается в форму разными способами:

  1. Открытый.
  2. Закрытый.

Открытый метод отличается простотой. Расплавленный металл переливается в обычную емкость, консервную банку, чашку и т. д. Когда вещество застывает, болванку извлекают из емкости. Если форма металлического предмета неважна, можно оставить алюминий на прочной поверхности.

Сложная отливка требует соответствия изделия указанным параметрам, для этого используются формировочные элементы. Кремнезем – это распространенное вещество, которое часто применяется при открытой заливке. Изделие состоит из двух емкостей, в которые засыпается и трамбуется земля. Элементы кремнезема сжимаются, между ними закладывается макет для отливки. Так можно получить точный отпечаток необходимой детали. Макет удаляется, в форму помещают раскаленный алюминий. Для закрытого способа отливки применяется речной песок, смешанный с жидким стеклом.

Гипс можно использовать для одноразового литья. Из парафина или пенопласта изготавливаются макеты. Применение таких материалов требует выполнения работ на открытом пространстве с хорошим доступом воздуха. Пенопласт не удаляется из твердого гипса, заливается раскаленным алюминием. Продукты горения этого вещества вредны для здоровья.

Распространенные ошибки и как их избежать

Гипсовые формы отличаются удобством и высокой чувствительностью к влаге. Простая сушка не позволяет удалить жидкость, поэтому качество отливки ухудшается. Придется ждать несколько дней, добиться полного высыхания гипсовой формы. Алюминий нужно держать на огне до самой заливки, чтобы успеть распределить его по всей форме.

Нежелательно использовать воду для охлаждения детали. Внутренняя структура вещества при этом нарушается, появляются трещины.

Меры безопасности

Требуется использование индивидуальной защиты при плавке алюминия. Руки, лицо, открытые участки тела должны быть защищены. Рекомендуется использовать перчатки сварщика, которые выдерживают температуру больше 600 градусов. Это главное средство защиты, поскольку шансы попадания жидкого алюминия на руки самые высокие. Очки и маска предотвращают попадание раскаленных элементов в глаза. Чтобы защититься полностью, можно проводить плавильные работы в костюме металлурга с высокой огнестойкостью. Химический респиратор применяется при очистке алюминия сварочным флюсом.

Плавка алюминия в бытовых условиях не представляет сложности. Металл разогревается в заранее подготовленной емкости. С поверхности жидкого вещества удаляются шлаки, затем чистый алюминий заливают в форму. Конструкция печи и температура определяют время плавки. При использовании газовой горелки тепло должно воздействовать на металл сверху.

Ссылка на основную публикацию
Технические характеристики Mitsubishi Pajero 4 — расход топлива, конфигурация полного привода
Мини–тест Митсубиси Паджеро 4 и Тойота Прадо 150 Итак друзья, свершилось то, чего так долго ждали сторонники и противники. Трех-литровый...
Теплообменник или как понять, что антифриз попал в масло! МИР GM
Масло в расширительном бачке причины попадания и способы решения проблемы С данной проблемой сталкиваются многие автолюбители, как владельцы иномарок, так...
Теплопроводность меди и ее сплавов – плюсы и минусы
Теплопроводность стали и других сплавов меди, латуни и алюминия, теплопередача Теплопроводность — алюминий Теплопроводность алюминия выше теплопроводности железа более чем...
Технические характеристики Renault Fluence — размеры кузова, клиренс, расход топлива
Недостатки Рено Флюенс 2013-2014 - отзывы владельцев (все минусы и плюсы Fluence 1 Обзор Отзывы Все минусы Renault Fluence ➖...
Adblock detector