автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теория и практика переработки отходов алюминия в роторных наклонных печах

На правах рукописи

11111111111 ИНИН! III

| ООЗ164737

Теория и практика переработки отходов алюминия в роторных наклонных

печах

Специальность 05 16 02 «Металлургия черных, цветных и благородных

металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 ш 2008

Иркутск - 2007

Работа выполнена на Воскресенском заводе вторичных алюминиевых сплавов ОАО «МОСОБЛПГОММЮНТАЖ»

Официальные оппоненты - доктор химических наук,

профессор Поляков Петр Васильевич

доктор технических наук,

профессор Баранов Анатолий Никитович

доктор технических наук,

профессор Черных Александр Евгеньевич

Ведущая организация ОАО «СибВАМИ»

Защита состоится 8 апреля 2008 года в 10-00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212 073 02 при Иркутском государственном техническом университете по адресу 664074, г Иркутск, ул Лермонтова 83 Тел 8(3952)405117

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета и библиотеке Воскресенского завода вторичных алюминиевых сплавов ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ»

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по указанному адресу университета на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан 3 марта 2008 г

диссертационного совета профессор

Ученый секретарь

ВМ Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуально сть Общемировая тенденция роста объемов потребления алюминия, ужесточение экологических требований и дефицит энергоресурсов, треб-ует повышения эффективности извлечения алюминия из отходов производства В последние годы отчетливо проявляется тенденция роста объемов производства вторичного алюминия Ожидается, что к 2010 г в странах Европы доля алюминия, получаемого из вторичного сырья, достигнет 65 — 70 % В России, по оценкам специалистов, уровень использования вторичного алюминия также должен возрасти с 10 до 40 % Увеличение объемов потребления и расширение областей применения алюминия привело к увеличению количества мелкодисперсных и загрязненных отходов с содержанием алюминия от 40 до 85%, эффективная переработка которых невозможна на традиционном оборудовании Самым распространенным агрегатом для извлечения алюминия из низкосортного сырья являются короткобарабанные вращающиеся печи с горизонтальной осью, которые технически малоэффективны и не приспособлены к переработке загрязненных и низкосортных отходов В процессе их использования образуется большое количество солевых шлаков, хранение которых в отвалах экологически небезопасно 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 обоснованной технологии переработки отходов алюминия с применением новых конструкций роторных наклонных печей (РНП) для внедрения на российских предприятиях вторичной металлургии алюминия является актуальной

Цель работы заключается в разработке теоретических основ переработки отходов алюминия в РНП. создании новых конструкций печей и технологий на основе применения научно-обоснованных методов исследований, для решения комплексной государственной задачи утилизации отходов производства Для достижения указанной цели решались следующие задачи: - проведение системного анализа мирового опыта разработки и использования РНП для переработки отходов алюминия, а также опыта применения флюсов в алюминиевой вторичной металлургии,

-4- оптимизация аэродинамических, тепловых параметров РНП и разработка конструкторско-технологических решений,

- проведение комплексных исследований свойств флюсов разработка новых составов и технологии применения флюсов в РНП,

- создание исследовательского комплекса с разноразмерными РНП и технологического центра подготовки специалистов,

- создание комплексной математической модели и программного обеспечения для проектирования печей и разработки технологии,

- разработка научно обоснованных технологий переработки полного спектра отходов алюминия и технологических режимов для производства алюминиевых сплавов с заданными параметрами,

- исследование свойств и разработка классификации шлаков в зависимости условий их формирования и переработки

Объектом исследования являются РНП для переработки отходов алюминия Предмет исследований - аэродинамические и теплотехнические характеристики РНП, физико-химические процессы, происходящие при плавке отходов алюминия, влияние состава флюса и характеристик шихты на процессы плавки Научная новизна.

- Впервые выявлены закономерности механического воздействия на шихту и оксидные оболочки алюминия в процессе плавки отходов в РНП, зависящие от размеров и конструкционных особенностей печей

- Определена и классифицирована схема процессов перехода элементов шихты в расплавленную ванну металла, разработаны научные методы определения этапов технологического процесса в РНП с учетом механизмов коалесценции, что позволило впервые выявить возникновение динамическое равновесие между шихтой и ванной жидкого металла, определяющей экстремальные зависимости величины металлу ргического выхода годного от основных технологических параметров температуры плавки, времени плавки скорости вращения печи, объема флюса, состава флюса

- Впервые выявлен механизм образования структуры солевого шлака в зависимости от компонентов шихты, который определяет свойства флюса при его выборе

- Установлены закономерности образования субсоединений при плавке отходов алюминия определяющие величину потерь, которые сопоставимы с потерями за счет окисления

- Создан комплекс математических моделей и программ для расчета технологических и конструкционных параметров РНП

Практическая значимость работы

- Обоснованы, разработаны, исследованы, реализованы в конструкциях и запущены в промышленную эксплуатацию серия высокоэффективных промышленных РНП объемом 800 кг, 1000 кг, 3000 кг, 3500 кг, 10000 кг

- Разработан лабора горно-исследовательский комплекс по изучению физико-химических процессов, происходящих при переработке отходов алюминия

- Создана компьютерная программа по разработке и проектированию РНП с заданными технологическими параметрами

- Разработаны методики выбора компонентов флюсов, позволяющие снизить количество захораниваемых отходов

- Установлены наиболее оптимальные режимы подготовки и плавки низкосортных шлаков

- Создана система контроля параметров РНП, позволяющая автоматизировать и оптимизировать технологические процессы

Личный вклад автора - постановка проблемы и задач исследования, анализ и обобщение резулыагов проведенных расчетов и экспериментов, участие в разработке исследовательского оборудования для экспериментов,

- разработка теория физико-химических процессов, происходящих при переработке отходов алюминия в РНП,

- выявление механизма процессов, происходящих в шихте и образования структуры солевых шлаков, разработка классификации элементов шихты и схем перехода их в расплавленную ванну металла в РНП,

- разработка методики исследований и выявление закономерностей поведения шихты в галогенидных расплавах,

- разработка новых составов флюсов,

-6- научно-техническое обоснование выбора конструктивных решений при проектировании РЕП и получение номограммы для определения оптимальных размеров печи,

- разработка комплексной модели и программного обеспечения для расчета технологических и конструкционных параметров РНП,

- разработка современной классификации алюминийсо держащих шлаков,

- разработка технологий переработки отходов алюминия на РНП,

- разработка первой в России РНП и участие во внедрении серии промышленных РНП

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена использованием аттестованных и апробированных методик проведения металлургических исследований, проведением экспериментальных исследований на стендовом оборудовании, прошедшем метрологическую поверку, применением современных измерительных приборов

(рентгеноспектральный анализатор SBS-50M, рентгенорадиометрический комплекс JMS-530 + Link ISIS, атомно-абсорбционный, фотометрический спектрофотометр AAS-30 и дериватограф Q-1500 D), использованием программного пакета AEROCHEM, использованием статистических методов обработки результатов, сходимостью результатов теоретических расчетов полученных методами математического моделирования с экспериментальными и промышленными испытаниями, высокой эффективностью предложенных технологий и конструкций РНП, подтвержденных промышленным внедрением На защиту выносятся:

- Теория физико-химических процессов при переработке отходов алюминия в РНП

- Классификация элементов шихты, механизмы процессов, происходящих в шихте, образование структуры солевых шлаков

- Методики исследований, анализ закономерностей и обобщенные результаты экспериментов

- Теория процесса образования субсоединений при переработке отходов алюминия в расплавах галогенидов

- Математические модели и результаты моделирования процессов теплообмена, аэродинамики и выхода металла

-7- Методики выбора компонентов флюсов для использования в РНП

- Новые конструкции печей и технологические приемы, увеличивающие эффективность процесса плавки отходов алюминия в РНП Классификация и свойства алюминийсодержащих шлаков с учетом особенностей их формирования, технологические процессы подготовки шлака к переработке в РНП

- Комплексная система контроля технологическими процессами Апробация работы Содержание и основные результаты диссертационной работы были представлены докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах Международные конференции «Алюминий Сибири», г Красноярск, в 2000, 2001, 2002, 2003, 2007, Международные конференции № 133,134,136, «The Mineral, Metal, Material Society» (TMS (США)) 2004, 2005, 2007, доклады опубликованы в сборниках Light Metal 2004, 2005, 2007, II международная научно-практическая конференция «Металлургия легких металлов Проблемы и перспективы», Москва, 2006, Вторая международная конференция «Рециклинг алюминия», ALUSIL, Москва, 2004, V Минский международный форум по тепло- и массобмену, Минск 2004, Высшие Российские алюминиевые курсы (Красноярск, 2001), научные семинары кафедр Красноярской государственной академии цветных металлов и золота, 2000, 2001, 2002, Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии НМГ -2000», Москва 2000 г, Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы получение и технологии обработки», г Красноярск 2000, Международная конференция «Экология и жизнь - 2000» (Великий Новгород, 2000), Всероссийская научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экологические проблемы горно-металлургического комплекса», (Красноярск, 2000), Междонародный конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», (Санкт-Петербург, 2000) Публикации. Самые основные материалы диссертации опубликованы в 82 печатных научных трудах, 30 из которых в журналах рекомендованных ВАК, двух монографиях, 8 авторских свидетельствах и патентах, учебном пособии Объем и структура работы Диссертация изложена на 340 страницах текста, состоит из введения, 8 разделов, содержит 258 рисунков, 49 таблиц и список литературы из 210 наименований

краткое содержание Во введении обоснована актуальность, с точки зрения энергетических и экологических проблем, научная и практическая значимость поставленной задачи, сформулированы цель исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе представлен аналитический обзор литературы по

Индукционная Канальная тигельная печь ндукциоиная печь

современному состоянию и

перспективам развития

техники и технологии

получения алюминия.

Сделан обзор и сравнение

печей различного

назначения и конструкций.

рис. 1. Рассмотрены

тенденции развития

ресурсной базы

производства алюминия в

Емкость в т

Рис. 1. Назначение и границы использования плавильных печей РОССИИ И за рубежом. Показано, что во всем мире проявляется тенденция к росту количества низкосортных отходов (шлаки, фольга, банки из-под напитков и т.д.). Важный путь повышения экономической эффективности работы заводов - это снижение издержек, связанных с образованием и утилизацией экологически опасных отходов. Обосновывается вывод, что РНП являются одним из самых перспективных видов оборудования для переработки отходов алюминия.

По литературным публикациям сделан анализ конструкций РНП, часть из которых представлена на рис.2. Отмечается значительный рост объемов производства вторичного алюминия за рубежом, опережающий рост первичного, в отличие от ситуации в России, где производство первичного алюминия вследствие экономических особенностей имеет рентабельность свыше 100%, в отличие от производства вторичного алюминия, которое как любая отрасль машиностроения имеет рентабельность не более 15%. Производством вторичного алюминия в России на 2005 год занимается более 180 официальных предприятий, на которых производится 400 000 тонн, причем из них 165 000 тонн на 8 предприятиях. Стоимость сырья в общей

себестоимости передела во вторичной металлургии доходит до 80 %. потери металла и выход годного при переработке алюминиевых отходов являются основным экономическим показателем работы печей вторичной металлургии. Рассмотрены проблемы переработки низкосортных алюминийсодержащих шлаков.

Рис.2 Конструкции роторных наклонных печей.

Рис.3 Распределение количества публикаций по флюсам по годам в России и за рубежом.

Анализ публикаций, посвященных применению флюсов во вторичной металлургии, показал

недостаточность проработки данной проблемы. Выявлена связь роста количества публикаций по флюсам с тенденциями развития вторичной металлургии за рубежом, рис.3. В связи со сложностью и

многофакторным характером изучаемых процессов в РНП, малым объемом опубликованных данных, сделан вывод об актуальности проводимых исследований, необходимости создания исследовательского комплекса разноразмерных РНП и разработки комплексной математической модели.

Второй раздел посвящен описанию результатов экспериментов на разноразмерных РНП: вращающихся тиглях, лабораторной РНП 3 кг, опытно-промышленной РНП 800-1000 кг, промышленной РНП 10 тонн. В качестве сырья использовались: сечка банок из-под напитков, сечка электрических проводов и шлаки заводов производства первичного алюминия. Проведение экспериментов на малых печах обосновывается тем, что для них можно подобрать достаточное количество однородного сырья, стоимость плавок невысока, что позволяет провести большое количество экспериментов для набора статистики. При исследовании влияния добавок фторидов в широко

Мет выход ю дроссов

10-

Рис.4 Зависимость метвыхода от состава флюсов на основе эквимолярной смеси хлоридов натрия и калия с 5 % -мп добавками фторидов Ка251Еб;СаР2, М§Р2, А1Р'3> КР, Кар' Б/д - флюс без добавок фторидов.

применяемые на отражательных печах базовые флюсы на основе хлоридов натрия и калия при плавках во вращающихся тиглях было установлено, что плавление дисперсных частиц с их интенсивным перемешиванием во фторсодержащих флюсах во вращающихся тиглях приводит к повышению потерь металла, рис. 4. Фторсодержащие добавки, необходимые в малоподвижных расплавах, способствуют разрушению оксидной пленки и повышению поверхностного натяжения на границе расплава и металла, но в случае интенсивного массообмена в дисперсных системах начинают играть отрицательную роль на процессы коалесценции и потери, вследствие химических реакций.

Установлено, что зависимости величины выхода металла от температуры и времени имеют экстремальный характер. Максимальная величина выхода металла наблюдалась при температуре ~ 740°С. Это объясняется тем, что при низких температурах высока вязкость расплава, и увеличиваются потери корольков в шлаке, снижается эффективность теплообмена. С другой стороны, увеличение температуры приводит к химическим потерям, испарению флюсов, повышению его вязкости, что и обуславливает повышенные и механические потери металла. Эксперименты, где в качестве шихты использовались шлаки, показали, что увеличение частоты вращения тиглей с 40 до 76 мин при температуре 750 С в хлоридном флюсе, количество которого составляло 50% от веса шлака, сокращается времени, в течение которого достигается наивысший металлургический выход, рис. 5.

Рис.5 Зависимость выхода металла от времени плавления шлаков при различной частоте вращения химические гигля

При этом максимальное значение выхода металла увеличилось с 25,26 до 26,41%. Установлено, что при переработке мелкодисперсных отходов алюминия во вращающихся тиглях существуют оптимальные значения, как времени, так и температуры их обработки.

При этом из-за высокой интенсивности процессов диапазон указанных параметров узкий:

Рис.6 Зависимость выхода по времени - нескольких минут, а по температуре -

металла от количества флюса 10.20 °С. Механические потери алюминия во в о О к количеству шихты.

флюсах обусловлены вязкостью флюсов, которая зависит от содержания в них оксида алюминия. Сокращение количества флюсов приводит к росту вязкости и потерь металла, полученная зависимость нелинейная, рис. 6. Отсюда следует, что температуру процесса и время его протекания при переработке отходов в РНП необходимо оптимизировать. Приведены результаты экспериментов на лабораторной РНП объемом 3 кг. Установлено, что с ростом объема флюса метвыход растет, а количество корольков в отвальном шлаке уменьшается, рис. 7. При 30-40% флюса к весу шихты, в качестве которой использовались шлаки, слить металл не удавалось. Весь металл оставался в отвальном шлаке в виде корольков. Консистенция вторичного шлака представляет собой рассыпчатую дисперсную массу (сухой шлак). В диапазоне от 50 до 80% флюса шлак рассыпчатый, но жирный, липкий и вязкий. На границе между сухим и жирным состоянием при вращении печи образуются окатыши круглой и овальной формы. При 90-100% флюса шлак имеет кашеобразный вид. Только при добавлении флюса выше 100% шлак при плавке переходит в жидкое состояние. Эксперименты по влиянию состава флюса на металлургический выход показали, что добавка 10% криолита к смеси хлоридов натрия и калия с соотношением 1:1 ухудшает коалесценцию при количествах флюса более 70%, но существенно интенсифицирует ее при низком содержании флюса. Так, при 30% флюса с криолитом более половины металла переходят в ванну жидкого металла, и образует слиток при остывании, тогда как без криолита слиток не образуется. При исследовании влияния

доля флюса. %

скорости вращения печи на процесс плавки установлено, что во всем диапазоне добавок флюса при увеличении скорости вращения выход металла в слиток оказался выше, а корольков в шлаке меньше. Установлено, что результаты плавки в РНП сильно зависят от: температуры; времени плавки; объема флюса; состава флюса; частоты вращения.

Приведены результаты экспериментов на опытно-промышленной РНП (ОРНП) вместимостью 800 кг шихты. Выявлено, что замена чистых хлоридов натрия и калия на сильвинит и калийхлорэлектролит, не привело к заметному снижению металлургического выхода, вследствие отрицательного влияния примесей хлористых магния и кальция. При плавках в ОРНП положительного влияния добавок криолита на величину металлургического выхода также не обнаружено. Вторичный шлак содержал большое количество капель металла менее 5мм. Для извлечения остатков металла из вторичного шлака, после слива ванны производили интенсивное перемешивание остатков с максимальной скоростью. При этом удавалось получать дополнительно 5-8% металла от веса первоначальной шихты. Анализ химического состав проб, отбираемых в разные периоды плавок, позволил установить, что количество химических элементов, железа, меди, марганца, цинка, кремния зависит от времени нахождения жидкого металла в печи и температуры процесса, и может увеличиваться в

несколько раз. Эксперименты

показали, что для получения сплавов, соответствующих ГОСТу и для максимального извлечения металла целесообразно проводить плавку в два этапа: 1 - слив основного металла проводить при минимально возможной температуре после нагрева с флюсом, не содержащим фториды; 2 - после слива основного металла производить перемешивание шлака с целью слива остатков металла. На первом этапе экспериментов в ОРНП добавляли 100 % флюса от веса шихты. Шихта в заключительной стадии процесса имела вязкую кашеобразную консистенцию, что вызывало проблемы при сливе и увеличение потерь металла в отвальном

Рис. 7 Зависимость веса слитка и корольков в отвальном шлаке от количества флюса. Выход металла и количество флюса - в % к начальному весу шлака. Содержание металла в шлаке 60°и.

шлаке. Уменьшение количества флюса до 30-40 % приводило к росту вязкости шлака, налипанию его на стенки печи, увеличению потерь металла со шлаком. Дальнейшее уменьшение количества флюса до 10-15 % приводит к образованию сухого сыпучего вторичного шлака, который легко удаляется из печи при ее наклоне. Перенос технологии с 3 на 800 кг печь показал, что многие технологические режимы кардинально не совпадали, и физического подобия не наблюдалось. Проведение тех же экспериментов на промышленной печи объемом Ют (ПРНП) позволили выявить закономерности, описание которых в литературе отсутствует.

В ПРНП и ОРНП успешные плавки сырья осуществляются при 10-25% флюса к весу шихты. Степень извлечения металла оценивалась по весу корольков, содержащихся в быстро охлажденных пробах отвального шлака и весу слитого металла. Так, в ПРНП при плавке шихты с содержанием металла 50% при добавке флюса 12% от веса сырья извлекалось 92% содержащегося в шлаке металла. Для ОРНП степень извлечения составляла 82%. В ЛРНП при указанном содержании флюса слить металл вообще невозможно. Весь алюминий остается в виде корольков в отвальном шлаке. Характерная зависимость степени извлечения металла от количества используемого флюса в % к весу шихты для печей различных объемов приведена на рис. 8.

В результате проведенных экспериментов выявлено, что не только увеличивается степень извлечения металла из сырья, но и сужается диапазон разбросов результатов, что говорит об оптимизации условий процесса, О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 рис9. Эксперименты на 10-ти количество флюса,% тонной печи показали, что в печах

Г) о --;„. „ ™ больших размеров отходы можно

Рис.» Зависимости степени извлечения алюминия г к " « "

из сырья с 50% содержанием металла для плавить вообще без флюса ПРИ лабораторной печи ЛРНП, ОРНП и ПРНП.

относительно высокой степени

извлечения металла. Таким образом, выявлена закономерность, что коалесценция и освобождение капель от оксидных оболочек при плавках шихты в РНП происходит ча счет механического воздействия на шихту.

Явление механической коалесденции в литературе не описано. Считалось, что коалесценция происходит в основном за счет поверхностных сил, вследствие использования флюсов, особенно фторидов. Скорость коалесценции определялась в основном поверхностными свойствами. Впервые в 1990 году американцы Но и 8аЬа1 рассмотрели термодинамику элементарного акта коалесценции - слияния двух отдельных капель покрытых

или не покрытых оксидами.

-) №

1

.............. - / V

но при этом учитывались только поверхностные

свойства. Процесс слияния происходит самопроизвольно и тем интенсивнее, чем больше капля, а при

Рис. 9 Кривые статистического распределения одинаковых размерах КЭПЛИ -

металлургического выхода при плавке дисперсного „с,, выше межАазное

лома: 1) ЛРНП. 2) ОРНП. 3) ПРНП. ' Г

натяжение. Добавки фторидов

к флюсу на базе №С1-КС1 понижают межфазное натяжение алюминия и

должны ухудшать коалесценцию. Однако в реальности наблюдается обратный

эффект, следовательно, не поверхностные свойства алюминия и флюса

влияют на коалесценцию.

В процессе плавки для появления жидкого металла надо обеспечить разрушение оксидной пленки. Причина возникновения первичных трещин в оксиде заключается в различии коэффициентов термического расширения алюминия и его оксида. При нагреве алюминий расширяется сильнее и внутренним давлением разрывает оксидную оболочку. В образовавшуюся трещину к металлу проникает флюс. Под оболочкой возникают мощные градиенты поверхностного натяжения, которые ее разрушают. Проведенный анализ показывает, что механизм растрескивания оксидных оболочек в отсутствии фторидов за счет разницы термического расширения металла и оксида играет важную роль на начальном этапе коалесценции. Существует

дополнительный источник энертии для разрушения оксида - поверхностные силы в системе флюс-мегалл При плавке в присутствии фторидов возможен механизм сбрасывания оксидных оболочек за счет возникновения механических напряжений в самом оксиде из-за изменений его структуры

Однако, в случае отсутствия флюса при плавке, применение существующих положений невозможно. Предлагается схема процессов коалесценции при плавке алюминия в РНП, основанная на том, что освобождение капель ог оксидных оболочек при плавке шихты в РНП может происходить не за счет действия флюса, а за счет механического воздействия на шихту В этом сл} чае поверхностная энергия, возникающая за счет присутствия флюса, заменяется кинетической энергией движущейся частицы, скатывающейся по поверхности шихты во время вращения Эта энергия должна быть больше энергии активации разрушения капли алюминия Для процесса выхода металла из шихты, связанного с преодолением потенциального барьера, скорость процесса и зависимость константы скорости выхода металла имеет экспоненциальную зависимость от отношения энергии барьера к энергии молекул

к, = А, ехр(-Ед, /Е,), 1=1,2 , где А, характеризует долю металла, который способен выходить из шихты, экспоненциальный множитель характеризует вероятность выхода этих капель из шихты за счет преодоления энергии барьера ЕА, 1=1 соответствует выходу крупных капель, 1=2 выход)' мелких капель Исходя из физических свойств шихты получим выражение для энергии активации разрушения частиц алюминия

ЕД|=ЯЕ0 уф 0^/12 , где Д - диаметр разрушаемых кусков алюминия, у - коэффициент, определяющий площадь разрыва и удлинение отрывающейся частицы, ср = 2 / 3 - коэффициент су жения частицы при отрыве, и выражение для энергии воздействия на куски алюминия при их разрушении до плавления

р _ 71 с| 1 Р 12 Р з и 2 ' 12 '

где с11,р4, и-диаметр движущихся кусков шихты, их плотность и максимальная скорость при скатывании - диаметр разрушающихся кусков алюминия При

их осыпании с верхней точки вниз куски вначале под действием силы тяжести ускоряются до некоторой равновесной скорости, далее устанавливается равновесие между приходом энергии под действием силы тяжести и потерями на трение о неподвижную часть слоя. Скорость скатывания определяется как:

u = -j2gL sin а ö .

где g - ускорение свободного падения, L - размер поверхности шихты вдоль плоскости осыпания, ati - динамический угол осыпания соответствующей углу обновленной поверхности после осыпания. В этом случае энергия воздействия на куски шихты при разрушении:

Е = гс d ? Р 3 u 2 ' 12

Величины L и u являются теми характеристиками, которые отличают малые

печи от больших, при рассмотрении влияния механического воздействия на

шихту за счет вращения печи.

В связи с различием в результатах плавки шлака на

РНП с разными размерами установлено

существование масштабного фактора.

При рассмотрении подобных печей различных

размеров с углом наклона печи ß=const установлено,

что величина коэффициента формы, представляющего

Рис. 10 Схема собой отношение поверхности к объему Е = S/V,

геометрически

подобных моделей РНП. увеличивается с уменьшением размеров печи и ростом угла наклона ее оси к горизонту, рис. 10.

С увеличением объема печи сокращается площадь контакта шихты с отходящими газами, приходящейся на единицу массы шихты (удельная площадь контакта). Также увеличивается масса загружаемой шихты, приходящаяся на единицу площади, что влечет за собой увеличение давления на нижние слои шихты и ускорение эффекта образования ванны жидкого металла за счет механического разрушения оксидных оболочек и выдавливания жидкого металла из шихты. Уплотняя шихту, высокое давление способствует удалению из нее остатков печной атмосферы, оставляя для окисления только относительно тонкий слой вблизи поверхности контакта шихты с печной

атмосферой. Скорость окисления в этом случае пропорционально площади этой поверхности, приходящейся на единицу объема шихты.

Рассчитан коэффициент, характеризующий пригодность РНП к сухой плавке шлака (плавка с образованием сухого шлака, см. раздел 2) - Л=Е/И, условный коэффициент, объединяющий параметры Е=8/У (удельная площадь) и Ь (максимальная толщина слоя шихты в печи). Коэффициент позволяет установить, на какой из РНП можно добиться лучших результатов при плавке отходов алюминия сухим способом, чем он выше, тем лучше условия для окисления металла и хуже для образования ванны жидкого металла. Проведенные расчеты позволили найти коэффициенты, определяющие эффективность печей различных размеров, табл. 1.

Таблица 1

Расчетные значепии коэффициентов Е и Л для печей е различными геометрическими размерами. Г) - внутренний диаметр печи, Ь - длина внутреннего пространства печи, <1 - диаметр горловины, а - угол наклона оси печи к горизонту в рабочем положении, 8-площадь поверхности шихты; У-объём загруженной в печь шихты.

Параметры печи Ь, м У,м3 в, м2 Е, м" 1 3, м2

Цилиндр 0=2,6 м, Ь=5,2 ма=14° при различной степени загрузки 1,26 5,84 10,93 1,87 1,45

1,00 3,56 8,56 2,40 2,40

0,80 2,08 6,30 3,03 3,78

0,60 1,03 4,20 4,08 6,80

0,40 0,38 2,34 6,17 15,4

Цилиндр, Б=0,26 м,Ь=0,52 м,а=14° 0,13 0,0062 0,12 18,7 148

Цилиндр с сужением горловины до (1=1,4 м, Б=2,6 м, Ь=5,2м, а=8° 1,29 7,78 11,31 1,45 1,12

Анализ полученных результатов показал, рис. 11, что одну и ту же производительность можно получить в печах различных размеров при различной частоте вращения. Однако при этом существует критическая скорость и,ф, при которой нарушается режим перемешивания, определяемая

соотношением центробежной и гравитационной сил и вязкостью шихты. В лабораторных печах это явление не является лимитирующим. При увеличении размера печи увеличивается линейная скорость футеровки. Если центробежная сила уравновешивается силой тяжести, то шихта начинает забрасываться вверх, это усиливает процессы окисления и диспергирования шихты. Расчетами и экспериментами установлено, что с учетом реальных свойств материалов максимальное значение п яр=25*В ''На небольших РНП, до 1000 кг, ускоряются процессы коалесценции, сокращается время плавки, меньшие величины капитальных и эксплуатационных затрат. С ростом размеров РНП и снижением частоты вращения увеличивается неоднородность температурных и

концентрационных полей, растет величина межплавочных простоев, в объеме перерабатываемого материала усиливается явление сегрегации частиц, что влечет за собой скопление мелких частиц в застойных зонах.

С другой стороны, малоразмерные печи не обеспечивают требуемую рабочую производительность,

несмотря на более широкий диапазон изменения частоты вращения и более высокую удельную

производительность.

Расчет влияния угла наклона оси печей показал, что область углов наклона крупных РНП ограничена по причине чрезмерного удлинения печи и трудностей обеспечения

однородного температурного поля в их рабочем пространстве.

Установлено, что существуют оптимальные варианты сочетания

0 10 20 30

Частота вращения, мин"1

Рис.11 Зависимость производительности печи от частоты вращения при различных диаметрах печи

эксплуатационных и массогабаритных размеров РНП, зависящие от заданной производительности. Окончательные характеристики РНП определяются на

основе технико-экономического проекта, с учетом годового объема перерабатываемого материала.

В третьем разделе на основе обобщения и анализа результатов исследований процессов плавки, исходного сырья, отвального шлака и пыли в отходящих газах представлена схема переходов элементов шихты из одного состояния в другое при плавке в РНП. Полученные результаты использованы при составлении систем уравнений для моделирования физико-химических процессов плавки.

Выявлен режим динамического равновесия на заключительных этапах плавки между солевым шлаком, плавающим на поверхности, и ванной жидкого металла (болотом).

Поскольку основная масса металла уже образовала сплошную жидкую ванну, дальнейшее увеличение металлургического выхода возможно только за счет оставшихся в солевом шлаке капель металла, рис. 12. Капли, распределенные в слоях солевого шлака двигаются с различными скоростями. Встреча капель жидкого металла происходит, если одна из них нагоняет другую или они двигаются навстречу, а расстояние между траекториями их движения не

Рис. 12 Формы застывших превышает суммы их радиусов. Вероятность встречи

капель, которые образуются ча0тиц, находящихся в среде с градиентом скорости, при плавках.

выведена М. Смолуховским: N = 4/3 ПоГ(К1+К2), где N - количество встреч в секунду; п0 - концентрация капель в среде; Г -градиент скорости в среде в направлении, перпендикулярном движущимся слоям; Я] и - радиусы капель.

Предлагается схема вероятностной коалесценции на основе уточненной и дополненной для данного металлургического процесса на РНП теории С молу хо вс ко го. Установлено, что в результате одновременного действия конкурирующих процессов устанавливается некая равновесная концентрация: N1 = п0 - с!г»1 + 11п/ где п0 - начальная концентрация капель массы т; -с1п1 — убыль концентрации капель массы ш за счет слияния капель между собой и с каплями больших размеров; с1п ]' — прирост концентрации капель т за счет распада капель больших размеров.

Уровень равновесной концентрации на рис 13 в общем виде изображен одинаковой для различных фракций - Мг Установлено, что в ванну жидкого металла переходят только капли запредельного размера, которые увеличиваются по схеме п2 = сЬ;1 - с1п2 - с1п2 + с1л2рр, где бпг1 - вклад коалесценции капель ш в концентрацию капель массы 2т, «-<&«2» - убыль концентрации капель массы 2т за счет слияния капель между собой и с каплями других размеров, «-сЙ12» - убыль концентрации капель массы 2т за счет дробления капель, с1п2рр - прирост концентрации капель 2т за счет распада капель запредельных размеров и за счет распада капель массой ¡т В общем виде п, = 2(111,' - ЕЛи,, - (Зл'-^ Е<3п1рр Концентрация капель предельных размеров пр увеличивается за счет коалесценции капель меньшей массы с1п/ Слияние капель предельных размеров между' собой и с каплями меньших размеров приводит к образованию капель запредельных размеров Капли запредельных размеров ррт при образовании распадаются В результате капля предельного размера переходит в ванну жидкого металла а остаток переходит в шлак Ррт = рт + ут. Ванна жидкого металла растет за счет распадов капель запредельных размеров и уменьшается при замешивании металла в шлак в процессе вращения печи

М = 1 ртсК-! ЪА1 ,

где М - масса ванны жидкого металла, [ рт «1* - поступления от распада капель запредельных размеров за время от начала коалесценции, Z - скорость замешивания металла из ванны в шлак, t - время Изменение концентраций капель различных размеров от времени коалесценции можно представить качественно, в виде графика, рис 13 При плавке устанавливается режим динамического равновесия между солевым шлаком и ванной алюминия, зависящий от свойств обеих систем и ограничивающий дальнейшее извлечение металла Процесс коалесценции в дальнейшем носит вероятностный характер, что является объективным ограничением для полного извлечения металла

Режим динамического равновесия можно смещать путем слива образовавшейся ванны алюминия и продолжением плавки оставшеюся шлака Ванна жидкого металла через какое то время образуется вновь Эта операция получила название - «дожимание» При двух сливах удается слить металла больше, чем при одноразовом сливе на 5-15% в зависимости от состава шихты

Эту операцию можно осуществить только на РНП в режиме сухой плавки. В результате количество корольков в отвальном шлаке снижается с 3-5% до 0.20.5%. Металл можно сливать многократно, однако уже после третьей обработки это экономически не выгодно из-за потери производительности печи. М0

М

Мг

Рис. 13 Перераспределение жидкого металла между каплями и ванной в процессе коалесценции.Мо -первоначальная масса

металла, М - масса ванны жидкого металла, Мг-равновесная концентрация для всех фракций. 1т, 2т, Зт, рт -концентрации капель разных фракций.

Время коалесценции Для выявления механизмов потерь металла исследован состав пыли, оседающей в различных участках дымохода при плавках в РНП. При определении состава пыли помимо элементного анализа применен 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 остальных частиц печной пыли. В результате наибольшее содержание металлического алюминия имеет место под газозаборным устройством и в начале газохода. Содержание металлического алюминия в таких местах при обычных плавках составляет 25-30%. При загорании шлака в печи (термитинг), температура на поверхности шихты резко возрастает, при этом увеличивается содержание металлического алюминия в местах накопления пыли и доходит до 50%. Наблюдаются многочисленные языки желтого пламени от сгорания натрия.

Рассмотрено химическое взаимодействие алюминия на межфазной границе «металл-солевой расплав» с участием газовой фазы и, в частности, ее активной составляющей - кислорода. Рассчитаны обменные реакции между жидким алюминием и компонентами солевой фазы (NaCl, KCl, NaF, A1F3) в

присутствии компонентов газовой фазы. С наибольшей вероятностью можно считать, что имеет место реакция, протекающая с образованием монохлорида алюминия: (хаП )+ ЗА1 + З/20 2 = А1С1 + А1 2о3 + .Ма "1>р , что подтверждает

расчет значений изменений энергии Г'иббса, ДСцяж >Д/к/С1,(Г),(0) = -1166240. Образовавшийся натрий диффундирует к поверхности солевого расплава, окисляется, образуя практически нелетучий оксид натрия - №?0 (при 1050К), но неограниченно растворимый в хлоридах натрия и калия. Образование субсоединений и натрия может идти также по реакциям:

з(ша)+за1 + 3/202 = (а1С13)+ а1,03 + 31Чапар (\аС1 )+ 3 Л1 + з(!Ча 20) = А1С1 135 + .41 203 + 7Na ":,р 3(*аС1 )+за1 + 3 / 2 (\а 2С>) = (а1С1 3)+Л1203 + 9Ма Ш,Р (№1с1 )+ 3 а1 + 3 / 202 = а1с1 гаэ + а1203 + |Ма с ДС01()5ок соответственно, -329 940, -365 570, -3 050, -1166240. Натрий играет роль переносчика кислорода к границе раздела «жидкий алюминий -солевой расплав» и обеспечивает окисление алюминия до А1203. Выделяющийся при этом летучий субхлорид алюминия покидает реакционную зону, что, наряду с образованием А1203, обуславливает безвозвратные потери металла. Субхлорид алюминия А1С1 - малоустойчивое соединение, распадающееся по реакции

ЗА1С1 газ = А1С1 Зар +2А1 > АС°105ок= -58 770 с образованием высокодисперсного алюминия. Это подтверждается результатами дериватографических исследований, рис. 14.

Эксперименты проводили на навеске порошка, приготовленного из электротехнического алюминия, который перемешивался с флюсом на основе эквимолярной смеси хлоридов натрия и калия и нагревался до 1000°С в атмосфере воздуха или аргона. Нагрев образцов, находящихся под слоем флюса в воздушной атмосфере, приводил к росту массы на 2,1 % в интервале температур 500...750°С, после чего вес навески начинал снижаться. При температуре 950°С величина снижения массы навески достигала 8,3 %, рис.14. Эксперименты, проведенные в атмосфере аргона, показали отсутствие пика,

105 100 95 90 -85 80

......

11 О порошок •

0 гюрошоктфлюс} аргон "««¿¡»■»ПОрОЦЮКгфлюС! воздух

500 600 700 800 900 1000 Температура, С

Рис. 14 Изменение массы порошка алюминия при его нагревании в различных условиях

обусловленного окислением алюминия и более интенсивную убыль массы навески Это объясняется испарением компонентов флюса и образованием летучих соединений алюминия, за счет ослабленной пленки оксидов на поверхности порошка при достаточно высоких температурах, рис 14 Нагрев порошка алюминия без флюса в атмосфере аргона свыше 900°С также не показывал пика прироста массы, но приводил к потерям массы навески до 4%,

что, вероятно, объясняется протеканием реакции + 4А1 =ЗА12Огаз

с образованием субоксида алюминия Термодинамические характеристики аналогичных реакций образования субсоединений со фтористыми солями незначительно отличаются от характеристик с хлористыми солями Анализ термодинамических характеристик рассмотренных реакций и дериватограмм, отражающих взаимодействие жидкого алюминия с галогенидными расплавами в присутствии активных компонентов газовой фазы (кислорода и водяных паров), объясняет возможный механизм образования основной составляющей шлаков - АЬОз , проясняет роль натрия в транспорте кислорода к межфазным границам разделам «жидкий металл-солевой расплав» Потери массы порошка алюминия, находящегося под флюсом в атмосфере воздуха объясняются с одной стороны окислением алюминия, с другой стороны - образованием летучих компонентов и хлоридов алюминия При этом окисление алюминия под слоем флюса протекает не только за счет кислорода, поступающего в солевой расплав из газовой фазы, но также за счет непрерывно растворяющегося в хлоридах натрия и калия оксида натрия

Введение хлорида магния снижает объем образования мелкодисперсного алюминия в пыли с 30-35% до 3-5%, вследствие прохождения реакции М«С12 + = 2МаС1 + М^, АО = -166 кДж/моль, что свидетельствует об уменьшении потерь за счет химического взаимодействия натрия с кислородом

В разделе представлен анализ и выявлены механизмы всех видов потерь, происходящих при плавке алюминиевого сырья Сделаны оценки величины потерь для различных видов сырья и оборудования Выявлено влияние на потери металла состава флюса, температуры и времени плавки, примесей и легирующих элементов в сплавах алюминия, табл 2 Наибольшие потери металла происходят при плавке ломов легированных магнием

Таблица 2

Потери металла при плавках различного вида алюминиевого сырья (РГ1 -роторная горизонтальная печь, РНП - роторная наклонная печь )

Лом Лом, Мё>2% Стружка, баночные отходы, фольга Шлак

Окислен ие печной атмосфе рой До плавления Менее 1% 2-5% 2-20% и более Низкое

Плавление металла 0,5-10% 2-10% 5-20% Низкое

Нагрев до слива 0 2-0 5% 0,5-2% 0 2-0 5% 0 2-0 5%

Взаимодействие с флюсом Под жидким флюсом до 11,5% При использован ИИ специальны х флюсов 0 5-2% Под жидким флюсом до 1-1,5% Под жидким флюсом до 1-1,5%

Замешивание в шлаке До 1,5% До 1,5% 2-3% РП-до30%, РНП - до 8%

Окисление влагой и органическим засором, вносимыми шихтой Менее 1% Менее 1% Несколько процентов при замешивании в расплав металла

Наибольшие потери При плавлени и При плавлении и нагреве до слива При нагреве до плавления Замешива ние в шлаке

Металлургический выход годного До 92% До 90% До 90%

Рекоменду емый печной агрегат любой любой РНП, печи с боковым карманом с использованием технологии сушки и делакирации РП, РНП

Рекомендуемый флюс На базе ЫаС1-КС1 карналитов ый На базе МаС1-КС1 или карналитовый На базе ЫаС1-КС1 |

В четвертом разделе исследована структура и проведен анализ свойств солевого шлака Исследовано влияние оксидов на вязкость флюса, которая влияет на потери металла Вязкость растет при загрязнении флюса оксидами,

нитридами и другими включениями. Солевой шлак в РНП, при увеличении во флюсе загрязнений, из жидкого состояния превращается в более вязкий (кашеобразный), затем начинает собираться в комки, и далее становится сыпучим. Установлено, что объем флюса в сыпучем, порошкообразном шлаке более чем в полтора раза может превышать объем оксидов, однако этот шлак, нагретый до температур выше температуры плавления флюса, не проявляет свойств жидкости.

Предложена следующая модель этого явления. На всех этапах металлургической переработки алюминия образуются шлаки, состоящие в основном из оксидов алюминия в виде пластинок разного размера. По мере уменьшения количества флюса относительно количества оксидов расстояние между частицами оксидов в шлаке сокращается. В какой-то момент частицы приходят в состояние постоянного зацепления между собой, рис. 15. Несмотря на то, что пустоты между хаотически нагроможденными друг на друга частицами заполнены жидким флюсом, смесь флюса с оксидами теряет

свойства жидкости и текучесть. При механическом воздействии однородная среда распадается на блоки оксидов, склеенных жидким флюсом. Дальнейшее поведение шлака определяется действием капиллярных сил. Флюс

Рис. 15 Схема расположения ХОРОПТО смачивает оксид алюминия. Поэтому,

пластинок оксида ашоминия в внутреннее давление в жидком флюсе, оксидных блоках. Промежутки

между пластинами заполнены находящемся в зазоре между оксидными флюсом.

пластинками должно оыть ниже давления окружающей среды. Чем ближе расположены ограничивающие флюс пластинки оксидов, тем меньше внутреннее давление флюса. Флюс втягивается в тонкие щели между пластинками и стягивает их, как бы склеивая. Если флюса недостаточно, чешуйки оксидов на поверхности оксидных блоков оказываются сухими, оксидные блоки ведут себя как сухие изолированные частички, а шлак, несмотря на значительное количество расплавленного флюса, приобретает свойства порошка. При превышении объема флюса над «емкостью» оксидных блоков внешняя поверхность оксидных блоков смочена флюсом и при соприкосновении блоки могут слипаться. В такой ситуации

разогретыи шлак внешне выглядит влажным, а по консистенции -кашеобразным.

Граница между сухим шлаком и влажным определяется емкостью оксидных блоков по отношению к жидкому флюсу. Емкость оксидных блоков зависит от размеров пластинок оксида, капиллярных сил стягивающих пластинки или внешнего давления среды, и при ухудшении смачивания флюсом оксидных пластинок увеличивается. На основании фазового, химического и рентгеноструктурного анализа окатышей, образованных при перемешивании оксидных блоков установлено, что они состоят в основном из оксидов и нитридов алюминия и флюса, рис. 16 и рис. 17. Сыпучая составляющая шлака состоит в основном из окиси кремния.

Корольки алюминия сосредоточены только в сыпучей составляющей шлака, т.е. округлые частицы окиси кремния и капли алюминия в оксидные

блоки не вовлекаются и оказываются вне окатышей. Модель структуры солевого шлака подтверждается также результатами экспериментов плавок в РНП в режиме «сухого флюса», когда после окончания слива металла оставшийся шлак подвергается повторной переработке.

Во время этой операции разогретый шлак, казавшийся сухим и сыпучим, иногда становится жидким. До повторной

Рис. 16

остывшего

Стрелками

Фотография куска спеченного шлака, отмечены окатыши

(оксидные блоки) и застывшие переработки солевой шлак находился на капли а.чюминия (корольки).

поверхности зеркала металла и не перемешивался. После слива появляется механическое воздействие на данный шлак вследствие вращения печи и перемешивания шлака. Увеличение внешнего давления на оксидные блоки вызывает измельчение крупных чешуек, уплотнение блоков и выдавливание из них части флюса. Переход из состояния покоя, в котором находился шлак до слива металла, в движение при повторной обработке и наличии плоских оксидов сопровождается увеличением

■М

Рис. 17 Фотография окатышей (оксидных блоков) отвального шлака.

текучести шлака и проявлением тиксотропного эффекта

Выявлена связь между составом и физико-химическими свойствами флюса, с точки зрения явления смачиваемости и межфазного натяжения Изучено влияние межфазного натяжения различных солей в системе флюс-алюминий-оксид С позиции явления оксидных блоков проведен анализ свойств и выявлены оптимальные составы флюсов для получения максимального металлургического выхода годного в РНП Выявлено, что при наличии интенсивного механического воздействия роль добавок фтористых солей к базовому флюсу на основе хлоридов натрия и калия уменьшается, а положительное воздействие на выход годного оказывает добавка хлорида магния, вследствие изменения межфазного натяжения Разработан и внедрен состав флюса, повышающий эффективность извлечения алюминия при плавках, при меньшем объеме его использования, габл 3

Таблица 3

Анализ цены и объема используемого флюса при разных технологиях применения ____

Вид технологии Кол-во флюса на плавку 8 тонн шлака, кг, Стоимость использованного флюса, рублей без НДС Количество металла при загрузке 8 тонн шлака, с выходом 50% , кг Удельный вес флюса в себестоимости продукции, руб/тн без НДС

Американская 2000 5563 4000 1391

Немецкая 2400 3626 4000 906

Автора диссертации 1200 2534 4000 634

В пятом разделе представлены математические модели факела, теплообмена в шлаке и футеровке печи, образования расплава, химического взаимодействия газообразных, жидких и твердых компонент системы, перемешивания металла

Модель факела включает в себя подмодели турбулентной аэродинамики многокомпонентной смеси, выгорания газового топлива, теплоотдачи от факела к поверхности шлака, расплава и футеровке за счет конвективного и радиационного теплообмена Модели факела и перемешивания металла программно реализована с использованием гидро-газодинамического кода

'"АегоСЬет", позволяющего моделировать сложные пространственные течения, осложненные химическим реагированием, дисперсной фазой и сложным теплообменом. Модель теплообмена в шлаке и футеровке печи основана на решении уравнений нестационарной теплопроводности. Модель расплава основана на системе кинетических уравнений и уравнений тепломассообмена, описывающих процесс взаимодействия элементов шихты, пpoqзeв шихты за счет тепла от факела и футеровки, образование капель алюминия, их взаимодействие с шихтой и стенкой печи, образование объема расплава, потери алюминия при химическом превращении (окисление, унос в газовой фазе и т.п.). Модель химических процессов основана на равновесном допущении в системе шлак + флюсы в газовом, жидком и твердом состоянии.

Все модели реализованы в виде комплекса программ: формирования геометрии роторной печи; задания и формирования физико-химических свойств системы топливо, шлак, печь; моделирования факельного горения в печи; моделирования химических процессов; теплообмена в шлаке и футеровке печи; моделирования формирования расплава; моделирования движения расплава алюминия; набор утилит для визуального анализа результатов моделирования. С помощью созданных моделей и компьютерных программ исследованы тепловые и аэродинамические характеристики печи, выявлены оптимальные положения горелочных устройств в РНП, исследована проблема термоциклирования футеровки, проведено исследование характера перемешивания шлака при различных загрузках и скоростях вращения печи, исследована динамика разогрева шлака, исследовано влияние состава флюсов.

л? • "—• ! •

ЩШШшШшШШШ шщяивмш

Рис.18 РНП различной формы проведен сравнительный анализ тепловой эффективности печей разной конструкции и размеров, рис. 18. Установлено, что лучшими тепловыми характеристиками обладает печь цилиндрической формы с усеченными торцами. Проведен сравнительный анализ печей разных размеров до 50 тонн.

Разработан пакет программ для конструирования печей с заданными параметрами

Шестой раздел посвящен исследованиям процессов плавления шлаков Приведены результаты химического и фазового анализов различных шлаков, их физические характеристики Введена классификация алюминийсодержащих шлаков, учитывающая не только содержание металла в шлаке, но и природу его происхождения Разработана схема подготовки шлаков к плавлению, позволяющая увеличить степень извлечения металла и улучшить химический состав готового продукта, рис 19 Представлен расчет стоимости переработки шлаков на различном оборудовании

Рис 19 Схема подготовки шлака к плавке

В седьмой разделе представлены разработанные конструкции печей и системы технологического контроля за параметрами процесса переработки отходов алюминия в РНП Выявлены взаимосвязи момента на оси вращения печи, гока, потребляемого двигателем привода печи, температуры отходящих газов с параметрами технологического процесса Выявлены характерные признаки и обоснована необходимость контроля плавки на различных этапах с целью снижения потерь Составлен фотокаталог и определены закономерности этапов плавки для различного вида сырья, разработаны методики и аппаратное обеспечение технологического контроля плавки, совмещающие измерение температуры шихты и момента на оси привода Разработан и внедрен новый метод контроля состояния шихты в процессе плавки с применением измерителя инфракрасного излучения, позволяющий анализировать и контролировать соблюдение оператором технологического регламента Представлена система технологического мониторинга на основе выявленных особенностей и закономерностей поведения шихты

На основе разработанных методик контроля впервые осуществлена автоматизация процесса плавки на РНП Представлены программы автоматизации, автоматизированное рабочее место плавильщика Создан автоматизированный комплекс, осуществляющий учет движения сырья по

внутризаводским операциям, автоматизированное ведение карт перераоотки сырья, учет незавершенного производства и готовой продукции, автоматизированные расчеты себестоимости и финансовых результатов, первичный ввод данных о поступающем на завод сырье, непрерывный

Рис.20 Действующий промышленный комплекс по переработке отходов алюминия с использованием РНП, слева направо, сверху вниз: РНП 10 тонн (первая в России). РНП 10 тонн вид сбоку, РНП 3 тонны, РНП 3.5 тонн. РНП 3.5 тонн вид сбоку, РНП 800 кг. РНП 1 тонна, экспериментальная РНП 1-2 тонны, лабораторная РНП.

контроль основных технологических параметров, запись параметров в архив

для последующего просмотра или анализа, профилактика и предупреждение

аварий, автоматическое аварийное оповещение, связь технологических весов с

системой учета движения сырья и материалов. Представлены основные

показатели, полученные на Воскресенском заводе вторичных алюминиевых

сплавов после внедрения системы автоматизации и мониторинга, снижена

численность персонала на 20% при одновременном увеличении зарплаты на

30%. Создан металлургический комплекс, который включает в себя две РНП

объемом 10 тонн, две РНП объемом 3.5 и 3 тонны), РНП объемом 0.8 тонны,

модернизированную РНП емкостью 1 тонна и лабораторный исследовательский

комплекс, рис 20.

В восьмом рачделе представлены экологические аспекты эксплуатации РНП с учетом общих требований и экологического законодательства Российской Федерации Представлены объем и виды загрязняющих веществ, образующихся при переработке отходов алюминия в зависимости от видов сырья и оборудования Рассмотрены источники вредных выбросов и основные направления их сокращения Представлены современные, высокоэффективные методы очистки, впервые примененные во вторичной металлургии на Воскресенском заводе алюминиевых вторичных сплавов Показан передовой опыт внедрения системы экологического мониторинга Рассмотрено действующее экологическое законодательство и его требования, предъявляемые к вторичной металлургии Установлено, что особую актуальность приобретает эколошзация налоговой системы с граны, которая должна способствовать развитию ресурсосбережения, восстановлению и увеличению ресурсного потенциала, сокращению выбросов и сбросов загрязняющих веществ, развитию природоохранной индустрии 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 механизма 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 флюса при его выборе Введено понятие оксидных

блоков Установлено, что оксидные пластинки определяют его вязкость и тиксотропные свойства шлака

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 и методика управления РНП, разработаны новые конструкции печей, технология плавки

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 Установлена целесообразность повышения скорости вращения РНП для увеличения эффективности тепловой работы при переработке высоко дисперсных шлаков и повышения стойкости футеровки

12 Определена оптимальная ориентация факела на футеровку, обеспечивающая эффективное использования теплоты, снижение потерь алюминия со шлаками

-3313 Обоснованы, разработаны, исследованы, реализованы в констрз'кциях и запущены в промышленную эксплуатацию РНП объемом 800 кг, 1000 кг, 3000 кг, 3500 кг, 10000 кг (2 шт), что позволило увеличить производство алюминия при переработке низкосортного сырья и уменьшить объем отходов, захораниваемый на промышленных полигонах

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

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1 Новичков С.Б. Использование компьютерного моделирования при разработке технологических процессов во вторичной металлургии алюминия Изд-во ИрГТУ, Иркутск,-2006 -252с

2 Жолнин А Г Новичков С.Б. Флюсовая обработка алюминия и его сплавов Изд-во ИрГТУ, Иркутск, -2007 - 302с

3 Клаус Кроне и др Рециклинг алюминия От исходного материала до готового сплава Перевод с немецкого Под общей редакцией Новичкова С.Б //УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ / Изд АСТШ, -М 2003 -702с

4 Structure of Hot Slag from Aluminum Remelt / Zholmn A G , Novichkov SB// Final program of 136th Annual Meeting TMS 2007, Orlando. Fl, USA, February25 - March 1, 2007", JOM February 2007, V59, N2

5 The Choice of Additions to NaCl-KCl Mixture for Aluminum Refining from Alkali and Alkali-Earth Impurities / Zholmn A G , Novichkov S.B , Stroganov A G //Light Metals 2005, Edited by Halvor Kvande, Proceedmg of technical sessions at thel34rd TMS Annual Meeting 2005, San Francisco, California, USA, February 13-17,- 2005 -P 973-976

6 About the Coalescence Mechamsm of Aluminum, The Analysis of the Recent Conceptions / Zholnin A G , Novichkov S.B.// Light Metals 2005, Edited by Halvor Kvande, Proceedmg of technical sessions at thel34rd TMS Annual Meeting 2005, San Francisco, California, USA, February' 13-17, - 2005 -P 1197-1202

7 Peculiarities of Aluminum Dross Melting m a Laboratory Tilting Rotary Furnace / Zholmn AG , Zaharov AE , Novichkov S.B , Stroganov AG// Light Metals 2004 Edited by Alton T Tabereaux, Proceedmg of techmcal sessions at the 13 3rd TMS Annual Meeting 2004, Charlotte, NC, USA, March 14-18, -2004 -P 943-947

8 Formalization of Concepts of the Processes Occurring in Meltmg Aluminum Rejects at Rotary Furnaces / Zholnin A G , Novichkov S.B , Stroganov AG// Light Metals 2004. Edited by Alton T Tabereaux, Proceedmg of technical sessions at the 13 3rd TMS Annual Meeting 2004, Charlotte, NC, USA, March 14-18, -2004 - P 937-942

-349 Жолнин А Г , Новичков С.Б , Строганов А Г Математическое моделирование теплофизических процессов роюрной печи // Журнал «Цветная металлургия» -2000 -№8-9-С 18-21

10 Жолнин А Г, Новичков С Б , Строганов А Г О переработке бессолевых шлаков плавки вторичного алюминиевого сырья //Журнал «Цветная металлургия»-

2000 -№10,-С 32-34

11 Жолнин А Г , Новичков С.Б., Строганов А Г , Цымбалов С Д Влияние физико-химических процессов, протекающих при хранении шлаков и переработки вторичного сырья, на извлечение алюминия //Журнал «Цветная металлургия» -

2001 -№1-С 21-24

12 Об уносе металлического алюминия с отходящими газами при плавке алюминиевых отходов / Жолнин А Г , Новичков С.Б., Прошкин А В , Цымбалов С Д //Журнал «Цветная металлургия» -2001 - №1 - С 24-25

13 Волков ДА Жолнин АГ, Новичков С.Б К разработке классификации алюминий-содержащих шлаков / Журнал «Цветная металлургия» - 2001 -№2-3 -С 49-51

14 Новичков СБ., Погодаев AM, Прошкин AB Взаимодействие жидкого алюминия с растворами галогенидов // Журнал «Цветная металлургия» -2001 -№2-3 - С 52-53

15 Жолнин А Г , Новичков С.Б , Погодаева И А Направление исследований процессов плавки вторичного алюминиевого сырья //Журнал «Цветная металлургия»-2001 -№5-6 -С 22-26

16 Жолнин АГ, Новичков С.Б. Негативные последствия переработки алюминиевых отходов в электролизерах // Журнал «Цветная металлургия»,-2001 -№10 -С 31-34

17 Новичков С.Б , Шалтырев АП Оптимизация состава шихты при производстве вторичных алюминиевых сплавов //Журнал «Цветная металлургия» -2001 -№ 11 -С 26-28

18 Новичков С.Б., Рогачев С Б Некоторые правовые аспекты деятельности по заготовке, переработке и реализации лома цветных металлов //Журнал «Металлург», ЗАО «Металлургиздат». Москва, - 2001 -№11 -С 7-8

19 Новичков С.Б., Шалтырев АП Оптимизация состава шихты при производстве вторичных алюминиевых сплавов //Журнал «Металлург» ЗАО «Металлургиздат», Москва , -2001 -№12 -С 27-28

20 Новичков С.Б., Мордашев MB , Резниченко В Г Создание систем менеджмента качества на литейных производствах цветной металлургии //Журнал «Металлург» ЗАО «Металлургиздат», Москва ,-2002 -№2 -С 38-39

-3521 Новичков С.Б., Рогачев СБ О нормативно-правовых актах, регулирующих деятельность в сфере заготовки, переработки и реализации лома и отходов цветных металлов //Журнал «Цветные металлы»,-2002 -№ 1 -С 12-14

22 Новичков С Б , Рогачев СБ О некоторых правовых возможностях ведения нелегальной деятельности в цветной металлургии //Журнал «Цветная металлургия», -2002 -№ 3 -С 3-5

23 Новичков С.Б., Рогачев С Б Каким должно быть экологическое законодательство //Журнал «Металлург», ЗАО «Металлургиздат», Москва, -2002 - № 9 -С 30-32

24 Новичков С.Б, Рогачев С Б Экологическое законодательство практика применения //Журнал «Экология и промышленность России», Октябрь 2002 -С 38-40

25 Жолнин А Г, Новичков С Б. Роль масштабного фактора при переплавке алюминиевых отходов в роторных наклонных печах //Журнал «Цветная металлургия». -2002 -№ 11 -С 28-31

26 Новичков С.Б, Рогачев С Б Отходы - в доходы //Журнал «Металлург», ЗАО «Металлургиздат», - 2002 - № 12 - С 24-25

27 Жолнин А Г, Новичков С.Б Механизм перехода алюминия из шлака в «болото» при плавке алюминиевых отходов в роторных печах //Журнал «Цветная металлургия»-2003 -№1-С 22-27

28 Лабораторная роторная наклонная печь для переплавки вторичного алюминиевого сырья / Захаренко Д M . Жолнин А Г , Новичков С.Б , Строганов А Г // Журнал «Цветная металлургия», -2003 -№2 -С 26-33

29 Новичков С Б , Шалтырев А П , Шалтырева О С Оптимизация состава шихты при производстве вторичных алюминиевых сплавов //Журнал «Цветные металлы»-2003 -№1 -С 92-95

30 Дворников H А, Новичков С.Б Моделирование химических процессов при взаимодействии алюминия с оксидами шихты и флюсом // Журнал «Цветная металлургия»,-2004 -№1 - С 14-20

31 Новичков С.Б , Рыскина С Г , Спирин С А Условия применения раскислителя со свинцом //Журнал «Металлург», ЗАО Металлургиздат. -2003 - № 10 - С28-30

32 Новичков С.Б. Закономерности плавки алюминиевого шлака в роторной наклонной печи // Журнал «Цветные металлы», -2004 - №1 - С 67-70

33 Дворников НА, Жолнин АГ, Новичков СБ. Образование гидроксидов алюминия при взаимодействии шихты с влагой //Журнал «Цветная металлургия». -2004 -№ 3-С 14-18

34 Дворников H А , Новичков С Б. Особенности равновесного моделирования сложных химических систем //Журнал «Цветная металлургия», -2004 -№ 8 -С 12-16

-3635 Новичков С.Б. Анализ процесса плавки алюминиевых отходов в роторных печах //Журнал «Цветные металлы». Москва, -2004 -№11 -С 103-107

36 Жолнин А Г , Новичков С.Б. Структура и свойства алюминийсодержащих шлаков //Журнал «Цветные металлы» Москва -2006 - №5-С71-78

37 Жолнин А Г Новичков С.Б. Коалесценция капель алюминия в жидком флюсе //Журнал «Цветные металлы» Москва, -2006 - № 6 -С 78-85

38 Жолнин А Г Новичков С.Б Коалесценция алюминия в вязкой среде //Журнал «Цветные металлы» Москва, -2006 - № 7 -С 77-82

39 Средозащитные свойства пеносиликатов в процессах вторичной переработки алюминия / Новичков С.Б, Прошкин А В , Павлов В Ф // Международная конференция «Экология и жизнь-2000» Великий Новгород. 2000 - С 16

40 Математическое моделирование тепловых процессов в короткороторной печи для переплавки отходов цветных металлов / Жолнин А Г , Новичков С.Б., Строганов А Г //Научные труды МАТИ им К Э Циолковского Вып 3(75), Москва, 2000 -С 115-120

41 Роторная поворотная печь для плавки алюминий содержащих шлаков / Жолнин АГ, Новичков С.Б., Строганов А Г//Научные труды МАТИ им К Э Циолковского Вып 3(75), Москва 2000 -С 120-12

42 Средозащитная технология переработки алюминий содержащих шлаков с применением новых роторных поворотных печей «Экологические проблемы горнометаллургического комплекса» / Новичков С.Б // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Красноярск, 2000 -С 143-145

43 Опыт и перспективы переработки алюминийсодержащих шлаков «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» / Баранцев А Г , Новичков С.Б., Цымбалов С Д //Международный конгресс Санкт-Петербург 2000 -С 594

44 Пути снижения техногенного влияния электролизного производства на окружающую природную среду «Проблемы экологии и развития городов» / Баранцев А Г, Гейнце В В , Новичков С Б., Цымбалов С Д //Всероссийская научно-практическая конференция Красноярск 2000 -С 175

45 Моделирование теплообмена в роторных наклонных печах вторичного алюминия / Новичков С.Б., Прошкин А В , Чуванкова В И // Тезисы докладов, VI Международная конференция-выставка "Алюминий Сибири -2000" 5-7 сентября, Красноярск, 2000 -С 61-62

46 Проблемы измерения температуры шихты в роторных печах / Жолнин А Г, Новичков С.Б , Строганов А Г // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2000» 24-25 октября, Москва, 2000 - С 212-213

-3747 Обогащение алюминийео держащих бессолевых шлаков / Жолнин А Г, Новичков С.Б, Строганов А Г //Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2000» 24-25 октября, Москва, 2000 -С214-215

48 Моделирование тепловых процессов в короткороторной печи / Жолнин А Г , Новичков С Б. Строганов А Г // Сборник докладов Международной конференции «Алюминий Сибири-2000»,5-7 сент 2000 Красноярск, - С 137143

49 Моделирование теплообмена в роторных наклонных печах вторичного алюминия / Новичков С Б , Прошкин А В , Дектерев А А , Чуванкова В И //Сборник докладов Международной конференции «Алюминий Сибири-2000»,5-7 сент 2000, Красноярск, 2001 - С 111-114

50 Фракционное распределение химсостава бессолевого шлака / Новичков С.Б. //Тезисы доклада Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы получение и технология обработки», КГАЦМиЗ, Красноярск, 2000 -С 24-26

51 Конструкция новой роторной поворотной печи для переработки алюминийсодержащих шлаков Перспективные материалы, технологии, констрл кции, экономика / Новичков С.Б , Прошкин А В // Сборник научных трудов под редакцией В В Стацуры, Выпуск 6, г Красноярск, 2000 -С 222-224

52 Новичков С.Б. Технология переработки низкосортных ишаков алюминиевого производства в роторных наклонных печах Автореферат диссертации к т н Иркутский государственный технический университет, Иркутск 2001 -С - 18 с

53 Новичков С Б. Технология переработки низкосортных шлаков алюминиевого производства в РНП Диссертация к i н , ИРГТУ, -Иркутск, 2001 -164 с

54 Исследование процессов плавки вторичного алюминиевого сырья История вопроса и его современное состояние в России / Жолнин А Г , Новичков С.Б , Погодаева И А //Сб докладов VII Международной конф «Алюминий Сибири-2001», 11-13 сент,Красноярск, 2001 -С 69-75

55 Исстедование процессов переработки алюминийсодержащих шлаков в роторных печах // Новичков С.Б., Прошкин АВ, Погодаев АМ //Сб докладов VII Международной конф «Алюминий Сибири-2001», 11-13 сент , Красноярск, 2001 -С 76-78

56 Оптимизация состава шихты при производстве вторичных алюминиевых сплавов / Новичков С.Б., Шалтырев АП// Сб докладов VII Международной конф «Алюминий Сибири-2001», 11-13 сент , Красноярск, 2001 -С 145-148

57 Изменения в алюминийсодержащих бессолевых шлаках при хранении и увлажненности /Жолнин А Г, Новичков С.Б // Сб докладов VII

Международной конф «Алюминий Сибири-2001». 11-13 сент, Красноярск, 2001 -С 149-153

58 Результаты лабораторных исследований процессов переработки алюминийсодержащих шлаков в роторных печах Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика / Новичков С.Б., Прошкин А В // Сборник научных трудов под редакцией В В Стацуры, Выпуск 8,часть 1, Красноярск.

2002 -С 181-183

59 Моделирование процессов переплавки вторичного алюминиевого сырья на лабораторной роторной наклонной печи / Новичков С.Б., Жолнин А Г // Сб докладов VIII Международной конф «Алюминий Сибири-2002». 10-12 сент, Красноярск, 2002 -С 245-249

60 Модель физико-химических процессов, происходящих при плавке алюминиевых отходов в роторных печах /Новичков С.Б, Жолнин А Г// Сб докладов VIII Международной конф «Алюминий Сибири-2002», 10-12сент, Красноярск, 2002 -С 225-228

61 Новичков С.Б. Новации в производство //Журнал «Рынок вторичных металлов» изд АМГ Москва, -2004 - № 1/21 - С 60-61

62 Причины формирования усадочных рыхлот и раковин в чушках литейных сплавов / Жолнин А Г , Захаров А Е . Новичков С Б., Савченко С В //Сб докладов IX Международной конф «Алюминий Сибири-2003», 9-11 сентября,-Красноярск, -2003 - С 276-281

63 Формализация представлений о процессах, происходящих при плавке алюминиевых отходов в роторных печах /Жолнин А Г Новичков С.Б // Сб докладов IX Международной конф «Алюминий Сибири-2003», 9-11 сентября, -Красноярск, -2003 - С 257-262

64 Особенности плавки алюминиевого шлака в лабораторной роторной наклонной печи / Жолнин А Г, Захаров А Е, Новичков С.Б // Сб докладов IX Международной конф «Алюминий Сибири-2003», 9-11 сентября, -Красноярск, -

2003 - С 282-287

65 Автоматизация производства вторичного алюминия/ Захаренко Д М , Новичков С.Б., Цыденов А Г // Сб докладов IX Международной конф «Атюминий Сибири-2003», 9-11 сентября, - Красноярск, -2003 - С 288-291

66 Моделирование теплообмена в роторной наклонной печи для переплавки шлаков и отходов алюминиевого производства/ Дектерев А А, Гаврилов АА, Новичков С.Б., Необъявляющий П К // Сб докладов IX Международной конф «Алюминий Сибири-2003», 9-11 сентября, - Красноярск, -2003 - С 292-298

67 Комплексное математическое модетирование процессов в роторных наклонных печах по переработке алюминиевых отходов / Дектерев А А , Новичков С.Б //

Сб докладов IX Международной конф «Алюминий Сибири-2003», 9-11 сентября, - Красноярск, -2003 -С 299-301

68 Моделирование процесса переработки алюминиевых отходов в роторных наклонных печах / Новичков С.Б // Вторая международная конференция «Рециклинг алюминия», АЬШ1Ь, 30 марта-1 апреля -2004 Москва - С 11

69 Новичков С.Б. Развитие технологии переработки легкого алюминиевого лома //Журнал «Металлургический бюллетень», Изд ООО «Мегасофт» -2004 - № 5-6(33-34)-С 29-31

70 Расчетная оптимизация тепломассообмена в роторно-наклонной печи производства вторичного алюминия / Гаврилов А А, Дектерев А А, Новичков С.Б.// Тезисы докладов и сообщений на V Минском международном форуме по тепло- и массобмену Том 2 -Минск, 24-28 мая-2004 -С 360-361

71 Новичков С.Б Моделирование химических процессов при взаимодействии алюминия с окислами шихты и флюсов // Журнал «Технология легких сплавов», изд ОАОВИЛС.ОНТИ -2004 -№ 3 -С 36-41

72 Новичков С.Б. Взаимодействие алюминиевого шлака с влагой //Журнал «Технология легких сплавов», Москва, изд ОАО ВИЛС, ОНТИ -2004 -№ 4, -С 53-57

73 Потери алюминия на различных участках плавки / Жолнин А Г, Новичков С.Б // II Международная научно-практическая конференция» Металлургия легких металлов Проблемы и перспективы 20-22 ноября, Москва , 2006 -С 196198

74 Особенности структуры шлака при переработке отходов алюминия / Жолнин А Г, Новичков С.Б // II Международная научно-практическая конференция» Металлургия легких металлов Проблемы и перспективы 20-22 ноября, Москва, 2006 -С 183-186

75 Авторское свидетельство № 1743053 Способ полного легирования металлических материалов / Новичков С.Б , Антонов В И, Строганов А Г 1992

76 Авторское свидетельство № 172 3826 Способ получения многослойных металлических структур / Новичков С.Б, Антонов В И, Строганов А Г 1991

77 Патент № 46087 РФ Ш Устройство измерения веса поворотной печи /Захаренко Д М, Новичков С.Б., Шалтырев А П , Новичков С Б, ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ»,

№ 2004138884, 2004 12 30, Бюл № 16, 2005 06 10

78 Патент № 2171138 РФ С1 Адсорбент для очистки отходящих газов /Новичков С.Б Павлов В Ф, Чуванкова В И , Прошкин А В , Новичков СБ, № 2000124963/12, 2000 10 02, 2001 07 27

79 Патент № 2173823 РФ С1 Футеровка роторной печи / Новичков С.Б, Прошкин А В , Новичков С Б , № 2000124985/02, 2000 10 02, 2001 09 20

80 Патент № 2179591 РФ С2 Способ переработки алюминиевого шлака / Жолнин А Г, Новичков С.Б , Новичков С Б , № 2001108233/02, 2001 03 29, 2002 02 20

81 Патент № 2179592 РФ С2 Способ переработки алюминиевого шлака / Жолнин А Г , Новичков С.Б , Новичков С Б , № 2001108234/02, 2001 03 29, 2002 02 20

82 Патент № 2194778 РФ С2 Способ обеднения горячего алюминиевого шлака / Архипов Е А, Елкин С Б , Жолнин А Г , Лучков В А, Магаев М В , Новичков С.Б., Новичков С Б , № 2001119189/02, 2001 07 11,2002 12 20

Подписано в печать 19 12 2007 Формат 60 х 84 / 16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 2,25 Уч-изд л 2,5 Тираж 100 экз Зак 718 Поз плана 26н

ИД № 06506 от 26 12 2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул Лермонтова, 83

ВВЕДЕНИЕ.

Раздел 1. Литературный обзор.

1.1. Современное состояние производства вторичного алюминия.

1.2. Техника и технология получения вторичного алюминия.

1.3. Влияние ресурсной базы производства вторичного алюминия на развитие роторных наклонных печей.

1.4. Технологии получения вторичного алюминия из низкосортных алюминий содержащих отходов.

1.5. Роторные наклонные печи в России.

1.6. Состав флюса - решающий фактор в увеличении эффективности переработки алюминиевых отходов в РНП.

1.7. Выводы.

Раздел 2. Исследования процессов переработки алюминиевых отходов в роторных наклонных пенах.

2.1. Изучение процессов при плавлении отходов алюминия во вращающемся тигле.

2.2. Особенности плавки алюминиевых отходов в лабораторной РНП.

2.2.1. Окисление магния при плавке в РНП.

2.3. Эксперименты на опытно-промышленной РНП.

2.4. Роль масштабного фактора при переработке отходов алюминия в РНП.

2.5. Коалесценция в РНП.

2.5.1. Обзор литературных источников по коалесценции.

2.5.2. Анализ опубликованных экспериментальных данных.

2.5.3. Коалесценция в жидком флюсе и реальные плавки.

2.5.4. Влияние на коалесценцию механического воздействия.

2.6. Влияние геометрии печи на эффективность ее работы.

2.7. Другие проявления масштабного фактора.

2.8. Выводы.

Раздел 3. Влияние физико-химических процессов в РНП на технологические потери при плавке.

3.1. Формализация процессов, происходящих в РНП при различных технологических режимах.

3.2. Исследование процессов коалесценции на заключительном этапе плавки. 103 3.3 Субсоединения. Потери алюминия за счет химических реакций.

3.4. Потери металла на различных этапах плавки.

3.4.1. Влияние состава флюса, температуры и времени.

3.4.2. Влияние примесей и легирующих элементов на потери металла в сплавах алюминия.

3.4.3. Потери алюминия из-за окисления печной атмосферой.

3.4.4. Потери металла от химического взаимодействия алюминия или легирующих компонентов сплава с флюсами.

3.4.5. Замешивание капель алюминия в шлаке.

3.4.6. Окисление алюминия остаточным кислородом, влагой и органическими примесями, вносимыми в расплавленный металл.

3.4.7. Общие потери алюминия.

3.5. Выводы.

Раздел 4. Влияние состава флюса на структуру солевого шлака.

Оптимизация состава флюса.

4.1. Структура и свойства солевых шлаков.

4.2. Повышение вязкости флюса оксидами. Экспериментальные данные.

4.3. Влияние оксидов на плотность расплавленных солей.

4.4. Механизм повышения вязкости флюса оксидами.

4.5. Модель оксидных блоков.

4.6. Связь модели оксидных блоков с реальными условиями производственных процессов.

4.7. Оптимизация состава флюса.

4.7.1. Общие вопросы рециклинга алюминиевого сырья.

4.7.2. Межфазное натяжение алюминия и его сплавов в расплавленных солях.

4.7.3. Смачивание алюминия расплавленными солями.

4.7.4. Смачивание оксидов расплавленными солями.

4.7.5. Применяемые покровно-защитные флюсы.

4.7.6. Оптимальное соотношение между NaCl и KCl во флюсе.

4.7.7. Влияние добавок к смеси NaCl-KCl на выход годного.

4.8. Температуры плавления и кристаллизации флюсов различного состава.

4.9. Исследования влияния добавок фторидов к флюсу на выход металла.

4.10. Выводы.

Раздел 5. Математическое моделирование. Компьютерная оптимизация оборудования и процессов.

5.1. Общие представления об особенностях процессов в печи при вращении.

5.2. Моделирование нестационарного теплообмена с футеровкой.

5.2.1. Постановка задачи.

5.2.2. Численный метод решения уравнения теплопроводности.

5.2.3. Нагрев футеровки во вращающейся печи.

5.2.4. Численное решение одномерного уравнения теплопроводности для цилиндрической стенки.

5.2.5. Влияние неодномерности геометрии на точность расчёта нагрева стенки.

5.2.6. Модель теплообмена с шихтой во вращающейся печи.

5.2.7. Расчёт нагрева поверхностного слоя шихты во вращающейся печи.

5.2.8. Теплообмен между футеровкой и шихтой во вращающейся печи.

5. 3. Моделирование факельного горения.

5.3.1. Моделирование турбулентной аэродинамики многокомпонентной смеси.

5.3.2. Горение газового топлива.

5.3.3. Теплоотдача от факела к поверхности шлака, расплава и футеровке за счет конвективного и радиационного теплообмена.

5.3.4. Результаты моделирования процесса горения с использованием параметров реальной печи.

5.3.5. Анализ результатов моделирования процессов горения. Сравнение с экспериментальными данными.

5.3.6. Выбор геометрии при проектировании роторной печи.

5.3.7. Анализ влияния размеров печи на технологические параметры.

5.4. Моделирование движения расплава в роторных печах.

5.5. Равновесное моделирование химических процессов при плавке отходов алюминия.

5.5.1. Модель химического равновесия для проведения расчета параметров процессов при получении вторичного алюминия.

5.6. Моделирование и прогнозный расчет технологических результатов при переработке отходов в роторных печах.

5.6.1. Общие представления об этапах процесса прогрева шихты.

5.6.2. Моделирование теплового процесса прогрева шихты и образования расплава.

5.6.3. Моделирование динамических режимов.

5.6.4. Результаты расчета выхода алюминия в роторной печи.

5.7. Выводы.

Раздел 6. Переработка алюминийсодержащих шлаков.

6.1. Шлаки алюминиевого производства, свойства и классификация.

6.2. Совершенствование процессов подготовки шлаков для переработки в РНП.

6.3. Сравнение стоимости переработки шлаков на различных печных агрегатах.

6.4. Выводы.

Раздел 7. Контроль технологического процесса плавки на РНП. Разработка новых конструкций печей и технологий плавки алюминиевых отходов.

7.1. Измерение момента на оси привода роторной наклонной печи.

7.1.1. Общая картина изменения нагрузки на привод барабана в процессе плавки.

7.2. Измерение температуры отходящих газов над горловиной РНП.

7.3. Использование инфракрасного дистанционного измерителя температуры шихты.280.

7.4. Измерение температуры шихты и связь ее с процессами, происходящими в РНП.

7.5. Технологический мониторинг. Автоматизация производства.

7.6. Использование мониторинга для повышения эффективности производства.

7.7. Разработка универсальной конструкции РНП.

7.8. Металлургический комплекс ОАО «МОСОБЛПРОМОНТАЖ», как главный результат данной работы.

7.9. Выводы.

Раздел 8. Экологические проблемы и состояние отрасли вторичной переработке отходов алюминиевого сырья.

8.1. Виды сырья и виды оборудования.

8.2. Выбросы загрязняющих веществ. Виды выбросов и причины выбросов.

8.3. Методы очистки выбросов и оборудование, применяемое на заводах России.

8.4. Экологические требования законодательства и регулирование.

8.5. Перспективы развития отрасли в плане экологических требований.

8.6. Выводы.

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—

2000

2001

2002 2003 год

2004

2005

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, 10000 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.

1. Прокопов И. Герой нового времени. Алюминий в XXI веке. Металлы Евразии // -2000.- № 5- С.46-49.

2. Давыдов В.Г. Современное состояние и некоторые актуальные проблемы использования алюминиевых сплавов//Цветные металлы.-1999.-№ 8 С. 49-53.

3. Pawlek R.P. Secondary Aluminum Industry Annual Review// Light metal Age, August -2000.-P. 13-20.

4. The Aluminium Situation of the USA. //Aluminium, 76 Jahrgang, 14-2000.- p.6-8.

5. Производство алюминия / В.Г.Терентьев, Р.М.Школьников, И.С. Гринберг, А.Е. Черных, Б.И.Зельберг, В.И.Чалых. Иркутск; 1998. - 350 с.

6. Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис. Металлургия вторичного алюминия: Учебное пособие для вузов. -Новосибирск: Наука, Сибирское предприятие РАН, 1988. -289 с.

7. Технология вторичных цветных металлов. Под ред. И.Ф. Худякова.- М.: Металлургия, 1981.- 277 с.

8. Altenpohl Dietrich G. Aluminum: technology, application and environment, Washington, D.C., 1999.- 473 p.

9. Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис. Экология и утилизация отходов при производстве алюминия. -Новосибирск: Наука, Сибирское предприятие РАН, 1996. -146 с.

10. Aluminium Industry Energy Conservation, Workshop VIII // Washington, Sept. 1984.pp.59.-61-71.-123-132.

11. J. H. L. van Linden, Aluminium Recycling. Everybody's Business, Technological Challenges and Opportunities. Light Metals: 1990.- p. 675-681.

12. Pinkham M. Big player aims higher still. IMCO Recycling, Aluminium today, June/July -1999.- p. 43-44.

13. Schroers I. Automobile Recycling Today and Tomorrow. Light Metals 1994. p. 1129-1135.

14. Пал М.Х. Энергия и защита окружающей среды. Падерборн: Изд-во FIT , Verlag. 1996, -449 с.

15. Atkins P. R. Recycling Can Cut Energy Demand Dramatically. Engineering and Mining Journal, May 1973.-№5 Vol. 174

16. Steverson W. Bryan. MRFs and UBCs: A Concern Yet an Opportunity. Light Metals 1995.-p. 1303-1307.

17. Patricia A. Plunkert, Aluminium Recycling in the United States. A Historical Perspective, Second International Symposium Recycling of Metal and Engineered Materials, 1990, -p. 61- 68.

18. Локшин M.3., Макаров Г.С. Современные тенденции в рециклировании алюминия.// Цветные металлы. 2001.- №11.- С. 1-7.

19. Proc. 8th International Secondary Aluminium Conference, Singapore, 2000.

20. Ларионов Г.В. Вторичный алюминий. -M.: Металлургия, 1967.- 271 с.

21. Радзиховский В.А. Машины и технологии непрерывного литья во вторичной цветной металлургии.- М.: Металлургия, 1979.- 48 с.

22. Kovohute Mnisek finds synergy in pump and multi-well. //Aluminium today, June/July 2000. P. 38-40.

23. Electromagnetic systems for improved recycling. //Aluminium today. June/July 2000.-p. 41-42

24. Фишер А.Я. Техника производства вторичных алюминиевых сплавов за рубежом. М.: Цветметинформация, 1970.- 64 с.

25. Шкляр М.С. Печи вторичной цветной металлургии. М.: Металлургия, 1987.216 с.

26. Шлотт Г. Вторичные цветные металлы (Материалы Лейпцигской конференции стран членов СЭВ и СФРЮ). -М.: Цветметинформация, 1971. -74-80с.

27. Becker J.S, Heffron F. The Changing Role of Oxygen-Based Combustion in Aluminum Melting.// Light Metal Age, June, 1994.

28. Paget Michael W., Heffron James F., Richer Pierre The Evolution Of Rotary Melting At Recyclage Aluminum Quebec Inc: Two Aluminum Dross Processing Plants June. 1994

29. Schmidt H.D. Stirring Device in Rotary Drum Furnaces. ALUMINIUM. 76, Jahrgang. 2000, !/2, P.34.

30. Койбаш В.А., Резняков А.А. Оборудование предприятий вторичной цветной металлургии. -М.: Металлургия, 1976.- 231 с.

31. Новое оборудование вторичной металлургии./ Сост. Хоменко Л.Е.// М., ЦНИИцветмет экономики и информации.,1984.-Зс. (Вторичная металлургия цветных металлов и химическое производство цветной металлургии: Экспресс-информация; выпуск 14).

32. Андреев А.Д., Гогин В.Б., Макаров Г.С. Высокопроизводительная плавка алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1980,- 136 с.34.