Теория и практика переработки отходов алюминия в роторных наклонных печах

Вторичный алюминий — это прежде всего накопленная человечеством энергия при производстве первичного алюминия, которую необходимо в свете последних энергетических проблем использовать бережно и эффективно, как по экономическим так и по экологическим соображениям. Это возможно при эффективной переработке отходов алюминия. Не нужно никаких политических решений, чтобы создать производство по переработке отходов алюминия. Производство высококачественных алюминиевых сплавов развивалось уже в то время, когда думали, что запасы естественного сырья неисчерпаемы, по причинам того, что затраты энергии на первичное производство значительно больше.

Однако в России ситуация несколько иная, чем в развитых странах. Производство первичного алюминия из-за сильнейшего государственного лоббирования имеет рентабельность свыше 100%, в отличие от производства вторичного алюминия, которая как любая отрасль машиностроения имеет рентабельность не более 15%, рис. 1.1. Производством вторичного алюминия в России [116] по данным Межрегионального Центра вторичной цветной металлургии на 2005 год занимается более 180 официальных предприятий, на которых официально производится 400 000 тонн, причем 165 тыс. т на 8 предприятиях, Рис. 1.1 Выпуск вторичных сплавов в России, [109].

800 600 С 400 ^ 200 0.

1—?95.

Ч43 034,.

— о—о—.

2002 2003 год.

Производство сплавов Л Экспорт сплавов «Экспорт скрапа.

В связи с этим, данной отрасли не придается никакого, тем более важного значения, и научное и технологическое развитие ее держится только на энтузиазме нескольких мелких компаний. Поэтому любые их успехи и достижения следует поддерживать как важную часть всей Российской науки.

Рис. 1.2 Количество выбросов вредных отходов при производстве вторичного (голубой цвет) и первичного алюминия (черный цвет).

Особо следует отметить экологические проблемы, возникающие при производстве первичного алюминия в условиях растущих требований к защите окружающей среды. Фтористые соединения и бензапирен, выбрасываемые в атмосферу при производстве алюминия, являются одними из самых опасных факторов с точки зрения воздействия на человека [3,5,9]. Количество выбросов при вторичном производстве составляет всего лишь 5% от выбросов производства первичного алюминия на 1 т, рис. 1.2.

Непрерывное расширение областей применения алюминия и увеличение объемов его потребления привело к увеличению количества мелкодисперсных и загрязненных отходов с содержанием алюминия от 40 до 85%, эффективная переработка которых невозможна на традиционном оборудовании, вследствие нестабильного химического и дисперсного состава. Поэтому в последние годы в промышленно развитых странах наблюдается рост интереса к разработке новых плавильных агрегатов, имеющих более высокие технологические и экологические характеристики. В связи с этим, разработка научной концепции по созданию современных технологий извлечения алюминия из отходов алюминия с применением роторных наклонных печей (РНП), создание новых конструкций печей, для внедрения на российских предприятиях вторичной металлургии алюминия являются актуальными.

Цель работы заключается в разработке теоретических основ переработки отходов алюминия в РНП, концепции создания новых конструкций печей и технологий на основе применения научно-обоснованных методов исследований для решения комплексной государственной задачи утилизации отходов производства.

Объектом исследования является класс плавильных роторных наклонных печей для переработки отходов алюминия и физико-химические процессы, происходящие при плавке алюминиевых отходов. На защиту выносятся:

— Теория физико-химических процессов переработке отходов алюминия в РНП.

— Классификация и механизмы процессов, происходящих в шихте, образование структуры солевых шлаков.

— Методики исследований, анализ закономерностей и обобщенные результаты экспериментов.

— Механизмы процессов образования субсоединений при переработке отходов алюминия в расплавах галогенидов.

— Математические модели процессов теплообмена, аэродинамики и выхода металла;

— Результаты математического моделирования и технико-экономической оптимизации РНП.

— Новые составы флюса для использования в РНП при переработке отходов алюминия.

— Новые конструкции печей и технологические приемы, позволяющие увеличивать эффективность процесса плавки отходов алюминия в роторных наклонных печах.

— Классификация и результаты исследований свойств аломинийсодержащих шлаков с учетом особенностей их формирования и хранения, технологические процессы подготовки шлака к переработке в РНП.

— Комплексная система контроля технологическими процессами. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, изложена на 348 страницах текста и содержит 257 рисунков, 49 таблицы, список литературы из 210 наименований.

Основные выводы и результаты.

1. Впервые в России разработаны теоретические основы переработки отходов алюминия в РНП с применением научно-обоснованных методов исследований, для решения комплексной государственной задачи утилизации отходов производства.

2. Впервые выявлены закономерности механического воздействия на шихту и оксидные оболочки при плавке отходов алюминия в РНП, связанные с размерами и конструкциями печей, впервые введено понятие масштабного фактора для РНП и определены границы его применения.

3. Введены новые понятия, классификация и определена схема процессов перехода элементов шихты в расплавленную ванну металла, разработаны научные методы определения стадий технологического процесса переработки отходов алюминия в РНП, с учетом характера и механизмом коалесценции. Определены механизмы коалесценции, происходящие при плавке отходов алюминия на разных этапах плавления.

4. Впервые выявлен механизм образования структуры солевого шлака в зависимости от компонентов шихты, основанный на предположении об определяющей роли оксидов, имеющих форму пластинок, которые определяют свойства фшоса при его выборе. Введено понятие оксидных блоков. Установлено, что при избытке флюса оксидные пластинки определяют его вязкость и тиксотропные свойства шлака. С позиций модели оксидных блоков даны объяснения различным эффектам, наблюдающимся при плавках алюминиевого сырья.

5. Установлен механизм возникновения динамического равновесия между шихтой и ванной жидкого металла, при котором движение капель жидкого алюминия в ванну, компенсируется захватом капель из ванны в солевой шлак. Этот механизм определяет экстремальные зависимости величины металлургического выхода годного от основных технологических параметров, температуры плавки, времени плавки, скорости вращения печи.

6. Выявлено, что уровень равновесной концентрации остаточного алюминия в шлаке определяется габаритами и формой РНП, интенсивностью ее вращения, массой шихты, консистенцией шлака, наличием в шлаке крупных твердых кусков, температурой шлака, составом металла и флюса. На основе аналитических, экспериментальных и модельных исследований проведено теоретическое обобщение закономерностей физико-химических процессов, происходящих в процессе плавки алюминиевых отходов, что позволило разработать методику подбора флюса для переработки отходов алюминия.

7. Установлены закономерности образования субсоединений при плавке отходов алюминия, потери за счет которых, сопоставимы с потерями за счет окисления.

8. Впервые создан комплекс математических моделей, с помощью которых реализована технико-экономическая оптимизация РНП, технологические процессы плавки, разработаны новые конструкции печей, методика управления РНП.

9. Разработана современная классификация алюминийсодержащих шлаков, позволяющая увеличить эффективность технологии их переработки.

10.Установлено существование оптимального сочетания режимных (частота вращения, тепловая мощность горелки) и конструктивных (диаметр, угол наклона ее оси вращения) параметров РНП в зависимости от производительности и конкретных экономических условий.

11. У станов лена целесообразность повышения скорости вращения РНП для увеличения эффективности тепловой работы при переработке высокодисперсных шлаков и повышения стойкости футеровки.

12. Определена оптимальная ориентация факела на футеровку, наиболее выгодная с точки зрения повышения коэффициента использования теплоты, снижения потерь алюминия со шлаками ориентация факела на футеровку.

13. Обоснованы, разработаны, исследованы, реализованы в конструкциях и запущены в промышленную эксплуатацию РНП объемом 800 кг, 1000 кг, 3000 кг, 3500 кг, 10 000 кг (2 пгг), что позволило увеличить производство алюминия при переработке низкосортного сырья и уменьшить объем отходов, который захоранивался на промышленных полигонах.

14.Экономический эффект от внедрения результатов работы составил более 76 млн. рублей без учета снижения экологической нагрузки на окружающую среду.