Немененок Б.М., Румянцева Г.А., Трибушевский Л.В., Задруцкий
С.П.
Влияние технологии плавки в короткопламенной роторной печи на
состав пылегазовых выбросов
Применение роторных печей дает наибольшую гибкость при плавлении
кускового алюминиевого лома различных сортов, стружки и шлаков с
содержанием металла менее 20 % [1, 2]. При работе роторной печи
загруженное сырье благодаря вращению барабана перемещается таким
образом, что создается каскад. Шихта под воздействием центробежной
силы и возникающего при этом трения поднимается на определенную
высоту и затем падает вниз. В результате на поверхность попадает
новый слой загруженного материала, который контактирует с печными
газами и футеровкой печи. Таким образом происходит более быстрый
и равномерный нагрев шихты [3-5].
Для достижения удовлетворительной степени извлечения алюминия необходимо применение большого количества флюсов (до 400 кг на 1 т алюминия), что приводит к образованию больших объемов отходящих газов, для очистки которых требуется дорогостоящая и сложная аппаратура. Кроме того, возникает проблема переработки солевых шлаков, накапливающихся в больших количествах [2]. При такой технологии плавки флюсы необходимы не только для защиты металла от окисления, но и выполнения ряда других задач.
В качестве флюса применяется смесь солей NaCl и KCl, которая отличается термической стабильностью и высокой химической стойкостью по отношению к алюминию, обеспечивает максимально возможную разницу в плотности по сравнению с алюминием, не оказывает отрицательного влияния на футеровку печи, создает оптимальное натяжение в пограничном слое по отношению к алюминию и оксидам, а также обладает хорошей способностью поглощать примеси и оксиды алюминия [1, 6]. Высокое поверхностное натяжение между оксидной пленкой и алюминием и низкое значение данного показателя между флюсом и алюминием приводят к отделению оксидной пленки и коагуляции металлических частиц. Этот эффект усиливается благодаря вращению барабана печи [3, 5].
При переработке на марочные сплавы алюминиевого лома и стружки важным показателем является также металлургический выход, который зависит от технологии плавки, количества и состава используемых флюсов.
В качестве объекта исследования была выбрана короткопламенная роторная печь емкостью 800 кг, работающая на жидком топливе. Загрузка котороткопламенной роторной печи осуществлялась с помощью поворотной тележки грузоподъемностью до 100 кг через загрузочное окно, которое затем закрывалось подводимым на консолях горелочным щитом с блочной жидкотопливной горелкой типа БГ-Ж-0,34. Во время расплавления металлоотходов печь располагалась горизонтально и была сочленена с горелочным щитом через загрузочное окно, а дымовое окно примыкало к борову, переходящему в канал удаления дымовых газов. Дымовые газы отводились по ходу плавки с помощью вентилятора-дымососа, подавались в циклон и далее в дымовую трубу. С целью локализации неконтролируемых выбросов в месте сочленения горелочного щита с корпусом роторной печи предусмотрен зонд, соединенный с вытяжной вентиляцией.
На первом этапе исследований анализ пылегазовых выбросов от короткопламенной роторной печи проводили во время переплава шихты, состоящей из алюминиевых шлаков, сливов, спрессованных банок из-под напитков и другого низкосортного лома. При плавке использовали 8 % покровного флюса, который загружали вместе с первой порцией шихты, составляющей 150 кг.
Пробы пыли в отходящих газах отбирали в газоходе от боровов перед циклоном на протяжении всей плавки. Параллельно определяли содержание в газах СО, NO и NOx с помощью электронного газоанализатора MSI 150 «EURO». Результаты анализов показали резкие перепады концентраций анализируемых газов, что связано с частой разгерметизацией печи при дозагрузке в нее переплавляемых шлаков. При этом содержание СО и NOх по ходу плавки соответственно изменялось с 28 до 2520 ppm и с 13 до 35 ppm. Концентрация NO колебалась в пределах 0-33 ppm.
Максимальные выбросы пыли отмечались в начале плавки и на ее заключительной стадии при удалении сухого конечного шлака в контейнер. Если по ходу плавки запыленность не превышала 0,16 г/м3, то при очистке печи от шлака в конце плавки запыленность в виде пиковых выбросов достигала 0,95 г/м3 и продолжалась в течение 3-5 минут. Для более детального анализа использовали пыль, которая осаждалась в циклоне. На рисунке 1 приведены фотографии частиц пыли, полученные на сканирующем электронном микроскопе VEGA-II LMU.
Рисунок 1 – Электронное изображение частиц пыли, отобранных из циклона при плавке в короткопламенной роторной печи
Из электронного изображения частиц пыли видно, что они существенно отличаются
по размерам и степени почернения. Последнее свидетельствует об их
разном химическом составе. В дальнейшем были изучены энергетические
спектры рентгено- флуоресцентного излучения элементов, входящих
в состав пыли для 10 частиц. На рисунке 2 приведены примеры энергетических
спектров для частиц пыли, обозначенных на рисунке 1 под номерами
1, 6, 10. Полный химический состав исследованных частиц и их размеры
приведены в таблице 1.
Как видно из приведенных данных химический состав частиц пыли достаточно разнообразен и представлен широкой гаммой элементов, как входящих в состав флюсов, так и содержащихся в переплавляемых отходах. При этом размерный диапазон частиц пыли достаточно широк и изменяется от 95 мкм до 340 мкм, а также встречаются частицы со средним размером примерно 640 мкм.
Когда плавку ведут с небольшими добавками покровно-рафинирующего флюса неизбежно образование на поверхности металлического расплава шлаковой фазы, которая представляет собой смесь, содержащую оксиды, хлориды, нитриды основных компонентов сплава, загрязнения, вносимые шихтой, компоненты флюсов, частицы футеровки плавильного агрегата [7]. При механическом перемешивании слипшиеся оксидные блоки образуют окатыши, в которых концентрируется соль и продукты окисления – оксид и нитрид алюминия. В сыпучей составляющей шлака соли оказалось меньше вдвое, а оксида и нитрида – в 3-5 раз, зато присутствовало много оксида кремния. Учитывая, что шлак является сухим и не смачивается расплавом, то благодаря мощному дымососу, он уносится вместе с дымовыми газами и оседает в дымоотводящей системе и циклоне. Поэтому в составе пыли могут встречаться шпинели, корунд, нитриды алюминия, карбидные соединения и хлориды щелочных металлов [8].
Рисунок 2 – Энергетические спектры
рентгено- флуоресцентного излучения элементов от частиц пыли № 1
(а), № 6 (б), № 10 (в)
Таблица 1 – Химический состав и размер отдельных частиц пыли, отобранной
из циклона от короткопламенной роторной печи
Учитывая высокую летучесть хлоридов, после их испарения в слое шлака могут
происходить металлотермические реакции, сопровождающиеся резким
повышением температуры в печи и приводящие к измельчению корольков
алюминия и оксидов, что способствует их более интенсивному уносу
[5].
Для выяснения механизмов потерь металла исследовали состав пыли, оседающей в различных участках дымохода при плавке в короткопламенной роторной печи. При определении состава пыли помимо элементного анализа использовали рентгеноструктурный анализ, позволяющий определить металлический алюминий и алюминий, связанный в химические соединения. Образующиеся при резком охлаждении отходящих газов частицы металлического алюминия крупнее частиц оксидов или конденсированных частиц солевых возгонов, поэтому они оседают быстрее отдельных частиц печной пыли. В результате наибольшее содержание металлического алюминия имеет место в начале газохода и составляет 25-30 %. При загорании шлака в печи температура на поверхности шихты резко возрастает и содержание металлического алюминия в местах накопления пыли достигает 50 % и наблюдаются многочисленные языки желтого пламени от сгорания натрия.
На втором этапе исследований анализировали состав пылегазовых выбросов от короткопламенной роторной печи при плавке в ней стружки алюминиевых сплавов в присутствии жидкого флюса. Первоначально в печь загружали покровно-рафинирующий флюс в количестве 40 % от массы переплавляемой стружки. После расплавления флюса и образования жидкой флюсовой ванны в нее порциями загружали стружку, которую замешивали в расплав за счет вращения печи. Общая запыленность в газоходе была значительно ниже первой серии плавок и составляла не более 0,09 г/м3. Следует отметить также и повышенную концентрацию хлоридов в газоходе от боровов.
Для выяснения данного явления были проанализированы обменные реакции между жидким алюминием и компонентами солевой фазы (NaCl, KCl) в присутствии компонентов газовой фазы. С большой вероятностью можно считать, что имеет место реакция, протекающая с образованием монохлорида алюминия:
(NaCl) + 3Al + 3/2O2 = {AlCl} + Al2O3 + {Na},
что подтверждает расчет значений изменений энергии Гиббса, ΔGº1050
K =
= -1166240 Дж/(Cl, F, O).
Металлический натрий в парообразном состоянии диффундирует к поверхности солевого расплава, окисляется, образуя практически нелетучий оксид натрия – Na2O (при 1050 К), но неограниченно растворимый в хлоридах натрия и калия. Образование субсоединений и натрия может протекать также по реакциям:
3(NaCl) + 3Al + 3/2{O2} → {AlCl3} + Al2O3
+ 3{Na};
(NaCl) + 3Al + 3(Na2O) → {AlCl} + Al2O3 + 7{Na};
3(NaCl) + 3Al + 3/2(Na2O) → {AlCl3} + Al2O3 + 9{Na};
(NaCl) + 3Al + 3/2{O2} → {AlCl} + Al2O3 + {Na};
c ΔGº1050 K соответственно -329940; -365570;
-3050; -1166240.
По мнению С.Б. Новичкова [5] образующийся натрий играет роль переносчика кислорода к границе раздела «жидкий алюминий – солевой расплав» и обеспечивает окисление алюминия до Al2O3. Выделяющийся при этом летучий субхлорид алюминия покидает реакционную зону и вместе с образованием Al2O3 вызывает безвозвратные потери металла. Субхлорид алюминия AlCl – малоустойчивое соединение, которое распадается по реакции:
3{AlCl} → {AlCl3} + 2Al; ΔGº1050 K
= -58770
с образованием высокодисперсного алюминия, уносимого отходящими газами.
Чтобы оценить количество различных компонентов шихтовых материалов, теряемых в виде мелкой пыли, анализировали пробы пыли, уловленной газоочистными сооружениями. Результаты микрорентгеноспектрального анализа представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты анализа пыли, отобранной из циклона
при плавке алюминиевой стружки в короткопламенной роторной печи
с 40 % флюса
Из приведенных данных видно, что при таком варианте плавки в составе пыли содержится меньшее количество компонентов и ее частицы имеют более стабильный состав.
Такое положение можно объяснить следующими причинами: во-первых, используется более качественная шихта, во-вторых, нет прямого контакта металла с газовой фазой и факелом пламени, что исключает интенсивное окисление компонентов сплава, разрушение хрупких оксидных плен и унос их отходящими газами. Основную массу пыли (более 70 %) составляют частицы NaCl и KCl, главные компоненты солевого шлака, что свидетельствует о значительных потерях соли с пылью при данной технологии плавки. Это происходит в основном за счет вращения печи в первом периоде плавке при расплавлении флюса. Однако, при такой технологии возникает необходимость переработки или захоронения значительных объемов солевых шлаков, что только осложняет экологическую ситуацию при рециклинге алюминия [9].
Проведенный анализ объемов и составов пылегазовых выбросов, образующихся при плавке и рафинировании алюминиевых сплавов в различных плавильных агрегатах показал [10-12], что основную экологическую опасность представляют процессы плавки неподготовленного возврата и рафинирующей обработки. При использовании короткопламенных роторных печей для рециклинга отходов алюминиевых сплавов ситуация существенно осложняется за счет использования покровных и рафинирующих флюсов, обладающих повышенной летучестью и накопления солевых шлаков, требующих утилизации или сложной переработки. Поэтому одним из вариантов повышения экологической безопасности процессов рафинирования является разработка и применение более низкотоксичных препаратов и рафинирующих составов.
Литература
- Шмитц, К. Технологии плавления материалов с большой удельной
поверхностью / К. Шмитц // Цветные металлы. – 2006. –
№ 9. – С. 109-113
- Хоменко, Л.Е. Некоторые вопросы переработки лома и отходов,
содержащих алюминий / Л.Е. Хоменко, З.М. Комиссарук // Экспресс-информация:
Вторичная металлургия цветных металлов. – 1985, вып. 8.
– 8 с.
- Новичков, С.Б. Использование компьютерного моделирования при
разработке технологических процессов во вторичной металлургии
/ С.Б. Новичков. – Иркутск, 2006. – 252 с.
- Шуранков, С.Е. Разработка технологии переплава высокоокисленных
отходов алюминиевых сплавов: автореф. дисс. … канд. техн.
наук: 05.16.04 / С.Е. Шуранков; БГПА. – Минск, 2001. –
19 с.
- Новичков, С.Б. Теория и практика переработки отходов алюминия
в роторных наклонных печах: автореф. дисс. … д-ра техн.
наук: 05.16.02 / С.Б. Новичков; Иркутск. гос. тех. ун-т. –
Иркутск, 2007. – 40 с.
- Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов / А.В.
Курдюмов [и др.]. – М.: Металлургия, 1980. – 196 с.
- Переработка шлаков алюминиевых сплавов методом центробежной
фильтрации / А.Ю. Шустров [и др.] // Цветные металлы. –
2004. – № 1. – С. 70-73
- Жолнин, А.Г. Структура и свойства алюминийсодержащих шлаков
/ А.Г. Жолнин, С.Б. Новичков // Цветные металлы. – 2006.
– № 5. – С. 71-78
- Переработка упорного вторичного алюминиевого и медного сырья
во вращающихся печах / В.И. Гель [и др.] // Цветные металлы. –
2006. – № 3. – С. 56-59
- Исследование пылегазовых выбросов, образующихся при плавке и
рафинировании алюминиевых сплавов в отражательных печах / С.П.
Задруцкий [и др.] // Литье и металлургия. – 2009. –
№ 1. – С. 78-85
- О вредных выбросах при плавке и рафинировании сплава АК9 в индукционных
тигельных печах ИАТ-2,5 и ИАТ-6 / Б.М. Немененок [и др.] // Металлургия
машиностроения. – 2009. – № 4. – С. 43-46
- Пылегазообразование при плавке и рафинировании силуминов в печи
САН-2,5 / Г.А. Румянцева [и др.] // Литейное производство. –
2009. – № 11. – С.28-31
|
о компании
