Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Алюминий (Al) - химический элемент третьей группы периодической системы Д. И. Менделеева. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Это серебристо-белый металл, легкий, легкоплавкий, пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза меньше чем у меди), относится к группе легких металлов. В природе существует один стабильный изотоп 29Al[1].

Плотность алюминия 2699,9 кг/м3 при температуре 20 °С, температура плавления 660 °С, кипения 2452 °С. Алюминий имеет кубическую гранецентровану кристаллическую решетку и не имеет аллотропическая преобразований. Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, за практическим использованием – второе (после железа). Кларк алюминия равен 8,05, что в пересчете на (Аl2О3) составляет около 15 %. Алюминий находится практически везде на земном шаре, поскольку его оксид (Аl2О3) составляет основу глинозема. Для сравнения содержание железа в земной коре составляет 4,65 %, то есть в два раза меньше. В металлическом виде алюминий впервые был получен Х. К. Ерстедом в 1825 г[1].

1. Переработка лома и отходов на алюминиевой основе

Основным сырьем для производства алюминия служит глинозем – порошкообразный оксид алюминия, состоящий из двух разновидностей (модификаций) окисла:(Аl2О3) (альфа-глинозем) и (гамма-глинозем). Альфа-оксид алюминия – наиболее устойчивая форма, встречается в природе в виде минерала корунда. Он имеет прочную структуру, большую твердость и химическую стойкость: температура плавления корунда составляет 20...54 °С. Гамма-глинозем получают при обезвоживании гидроокиси алюминия, он хорошо взаимодействует с растворами щелочей и кислот, имеет высокую гигроскопичность. Даже нагретый до 1000 °С гамма-глинозем содержит около 1 % воды, и только длительная выдержка при 1200 °С полностью его обезвоживает и гамма-глинозем при этом превращается в корунд. Мировая алюминиевая промышленность включает в себя добычу бокситов, производство глинозема, первичного и вторичного алюминия, характеризуется высоким уровнем концентрации и вертикальной интеграции производства. Усиление процесса концентрации в мировой алюминиевой промышленности отражает существующее положение на мировом рынке. В основном это обусловлено существенным ростом экспорта алюминия из России после распада СССР. Сегодня на Россию приходится примерно 20 % мирового экспорта металла. За период 2003-2005 гг. спрос на алюминий был очень активным. Значительное увеличение спроса на алюминий обусловлен преимущественно его использованием, постоянно расширяется, в авиа - и автомобилестроении, в изготовлении упаковочных материалов в пищевой промышленности. Если в 1992 г. в Европе на один легковой автомобиль расход алюминия составляла в среднем 72 кг, в Японии – 160 кг, то в 2006 г. этот показатель вырос до 192 кг и 288 кг, соответственно. Среднегодовые темпы роста потребления оцениваются в 13 %, причем реальные показатели могут отличаться от прогнозных темпов примерно на 200 тыс. т.[1].

Алюминиевая стружка

Рисунок 1 – Алюминиевая стружка

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность (2500...3000 кг/м3) в сочетании с очень хорошими механическими свойствами и удовлетворительной устойчивостью к окислению. Особо выделяются алюминиевые сплавы с повышенной пластичностью, содержащие до 2,8 % Mg и до 2,5 % Mn – они обладают большей, чем чистый алюминий прочностью, легко поддаются вытяжке, близки по коррозионной устойчивостью до чистого алюминия.

Алюминий – одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе титана, магния, меди, цинка. Широко применяют алюминий и для получения различных химических соединений. Так, алюминиевый галун [K2SO4%Al2(SO)4%] используется как протрава при крашении тканей и для дубления кож, оксид алюминия – как абразивный материал, адсорбент и катализатор, в производстве огнеупорных материалов. В сплавах на основе алюминия в качестве добавки используются медь, магний, цинк, кремний, марганец, литий, кадмий, цирконий, хром и другие элементы. Алюминиевые сплавы делятся на: те, что деформируются – идут на изготовления листов, прутков, профилей, поковок путем прокатки, прессования, ковки; литейные – предназначены для литья; спеченные, вспененные и тому подобное. Деформируемые алюминиевые сплавы по объему производства составляют около 80 %. Наибольшую популярность среди них получили дюралюмины (система Al-Cu-Mg-Mn) - термоукрепляемые сплавы, широко применяемые в транспортном и авиаракетном машиностроении.

Дюралюмины - от французского слова dur-твердый, тяжелый и aluminium твердый алюминий. Дюралюмины-сплавы на основе алюминия, содержат: 1,4...13 % Cu; 0,4...2,8 % Mg; 0,2...1,0 % Mn; иногда 0,5...6,0 % Si; 5...7 % Zn; 0,8...1,8 % Fe; 0,02...0,35 % Ti и др. Дюралюмины-самые прочные и наименее коррозионностойкие из алюминиевых сплавов, подверженные межкристаллической коррозии. Для защиты листового дюралюмина от коррозии его поверхность плакируют чистым алюминием. Им не свойственна хорошая свариваемость, но благодаря остальным свои характеристикам применяются везде, где необходима прочность и легкость. Наибольшее применение они нашли в авиастроении для изготовления деталей турбореактивных двигателей. Магналии названы так из-за большого содержания в них магния (Mg), сплавы на основе алюминия, содержащие: 5...13 % Mg; 0,2...1,6 % Mn; иногда 3,5...4,5 % Zn; 1,75...2,25 % Ni; до 0,15 % Be; до 0,2 % Ti; до 0,2 % Zr и др.

Среди литейных сплавов самые распространенные-силумины (Аl и до 23% Si-Cu-Mn-Mg). Имеют относительно высокие механические свойства в сочетании с коррозионной стойкостью во влажной и морской атмосферах; применяются для изготовления деталей сложной конфигурации в авто-, авиа - и судостроительстве. Кроме силуминов, применяются литейные алюминиевые сплавы на основе систем Al-Cu; Al-Cu-Si; Al-Mg % магналии, содержащих 4...13 % магния.

К термически-усиливающим сплавам относятся также авиали (AlMg-Si-Cu-Mn или Мх), высокопрочные (Al-Cu-Mg-Zn), жаропрочные (AlMg-Ni-Si) и ковочные (Al-Cu-Mg-Mn) сплавы. Сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием - магналии (Аl % 1...7 % Mg) относятся к термически неусиливающим сплавов. Характеризуются средней прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью, высокой коррозионной стойкостью; применяются в судо - и авиастроении, в производстве сварных емкостей, холодильников и так далее. Магналии отличаются высокой прочностью и устойчивостью к коррозии в пресной и даже морской воде. Магналии также хорошо устойчивы к действию азотной кислоты HNO3, разбавленной серной кислоты H2SO4, ортофосфорной кислоты H3PO4, а также в средах, содержащих SO2. Применяются как конструкционный материал в авиа-строительстве, судо-строительстве, автомобилестроении (сварные баки, заклепки, бензопроводы, маслоприводы), для изготовления арматуры строительных сооружений, для изготовления деталей холодильных установок, для изготовления декоративных бытовых предметов и тому подобное. При содержании Mg выше 6 % магналии подвержены межкристаллитной коррозии, обладают более низкими литейными свойствами, чем силумины.

Силумины сплавы на основе алюминия с большим содержанием кремния (Si). В состав силуминов входят, %: 3...26 % Si, 1...4 % Cu, 0,2...1,3 % Mg, 0,2...0,9 % Mn, иногда 2...4 % Zn, 0,8...2,0 % Ni, 0,1...0,4 % Cr, 0,05...0,3 % Ti и др. При своих невысокой прочности силумины обладают наилучшими из всех алюминиевых сплавов литейными свойствами. Они чаще всего используются там, где необходимо изготовить тонкостенные или сложные по форме детали. По коррозионной стойкости занимают промежуточное положение между дюралюминами и магналиями. Нашли свое основное применение в авиастроении, вагоностроении, автомобилестроении и строительстве сельскохозяйственных машин для изготовления картеров, деталей колес, корпусов и деталей приборов.

Пеноалюминий является относительно новым классом сверхлегких (100...900 кг/м3) металлических материалов, состоящих из большого (60...98 %) количества в основном закрытых элементов, заполненных газом. Пеноалюминий обладает высокой способностью гасить акустические и электромагнитные волны, а также является идеальными энергопоглотителями материалом[2].

2. Подготовка лома и отходов алюминия к металлургическому переделу

Одним из главных вопросов при повторном использовании лома отходов цветных металлов первичная подготовка начального сырья перед металлургическим переделом. Первичная подготовка лома и отходов цветных металлов включает следующие технологические процессы:

  1. сортировка сырья по физическому состоянию, габаритам, наименованию металлов (сплавами), удаление черных металлов и неметаллических материалов, по засоренности, а также по другим признакам;
  2. фрагментация и дробление;
  3. классификация и различные виды сепарации.

Рациональная первичная подготовка вторичных цветных металлов позволяет повысить все основные технико-экономические показатели последующего металлургического передела; повысить вытягивания цветных металлов; снизить топливно-энергетические затраты на переплавку, сократить расход первичных металлов, уменьшить время плавки, исключить процессы рафинирования. Нет ничего дороже, чем дешевая металлургическая шихта.

В неиспользуемых видах отходов коэффициент возврата цветных металлов в отходах потребления составляет около 50 %, в отходах производства – около 85 %, а общий коэффициент возврата цветных металлов – 65...70 %. Следовательно, треть потребляемых цветных металлов не возвращается в народнохозяйственный оборот, а практически безвозвратно теряется. Большие потери алюминия с кабельными отходами потребления. Кабель практически не вытягивается в горных выработках, из траншей и трасс. Алюминий теряется с отходами потребления черных металлов в списанных машинах и механизмах, в частности в отходах бытовой техники: холодильники, стиральные, швейные машины и тому подобное. Разработка новых технологических процессов и оборудования для обогащения лома и отходов цветных металлов является весьма актуальной народнохозяйственной задачей.

Металл, полученный из руды или отходов, в конце концов, не имеет химических и физических различий. Однако энергетические расходы при получении металла из руды значительно больше (иногда на порядок), чем при получении металла из отходов. При открытой добыче руд необходимые вскрышные работы, а при подземной разработке месторождений – строительство рудников (шахт). А поскольку в большинстве случаев руды цветных металлов характеризуются невысоким содержанием основного металла, то необходимо строительство обогатительных фабрик. Запасы природных руд невосполнимы, близко расположенных к поверхности земли месторождений становится все меньше, поэтому добыча и обогащение руд становится все дороже, что обуславливает повышение цен на цветные металлы. Весомая доля удорожания производства цветных металлов обусловлена и необходимостью строительства также природоохранных сооружений, а также платы за землю, которая занята отходами производства.

В связи с этим получение цветных металлов из отходов производства и потребления уже достаточно давно стало вторым способом вполне конкурентоспособным и эффективным. Наблюдается постоянное увеличение доли получения цветных металлов из вторичного сырья. Так, в промышленно развитых странах прирост производства цветных металлов за 90-е годы прошлого столетия составил, %: алюминия – 16 (из вторичного сырья – 13); меди – 6 (из вторичного сырья – 30); свинца – 8 (из вторичного сырья – 15); цинка – 9 (из вторичного сырья – 8). Из указанного выше объема потребления алюминия 50 млн. т/год, при этом 26...28 млн. т получено из первичного сырья, а 22...24 млн. т-с вторичной.

Для Украины путь получения цветных металлов из лома и отходов их производства стал после 1991 г. чрезвычайно актуальным. Это объясняется тем, что в Украине отсутствует промышленная добыча руд алюминия, меди, цинка, свинца и ряда других цветных металлов. Кроме того разведанных запасов бокситов для производства алюминия нет. А переработка небольших запасов нефелиновой руд требует применения новых технологий. Видовая сортировка. Сортировку следует начинать с момента выгрузки лома. Основную часть нероздроблених кусковых отходов на основе алюминия подвергают ручной сортировке на сортировочных конвейерах и столах. Лом, рассортированный при выгрузке по видовым признакам, собирают отдельно и подвергают дальнейшей обработке в зависимости от его индивидуальных особенностей.

Отличительными признаками при этом виде сортировки являются: цвет, плотность, твердость, характер излома, магнитные свойства, форма изделий. Поскольку поверхность металла часто имеет защитные покрытия (краска, анодирование, лакирование и др.), то цвет металла следует определять за срезом или изломом металла. Лом литьевых сплавов сортируют по литейными признакам: литейные приливы, ребра жесткости, следы линий разъемную форм, сложности конфигурации изделий. Маркировка. Марку сплава определяют с маркировкой, выполненной в виде отлитых цифр или нанесенной краской на деталях и заготовках по ГОСТ 2171-90.

Капельный метод. Способ основан на реакции между элементами сплава и реактивами, наносимыми в виде капель. При этом образуется пятно или осадок с определенным расцветкой, указывающий на наличие в сплаве того или иного компонента. На алюминиевых сплавах, после нанесения капли указанного раствора, окраска поверхности не происходит, а на магниевых и цинковых сплавах появляется черное окрашивание. Основными недостатками ручной сортировки лома и отходов цветных металлов является значительная трудоемкость, низкая производительность процесса, невозможность сортировки по визуальным признакам близкими по составу групп сплавов. Наибольшую сложность представляют качественная сортировка мелкокускового лома и отходов величиной менее 100 мм, количество которого в сырье достигает 50...55 %. Основной залог качественного, надежного сортировка отходов – высокая квалификация и опыт сортировщика, а также максимальное применение разных приборов и специальных инструментов и приспособлений[2].

3. Теоретические основы плавки алюминиевого лома и отходов

Основная цель плавки-получение сплавов, отвечающих по химическому составу, физико-химическим и механическим свойствам требованиям стандартов. Современная технология плавки обеспечивает минимальные потери тепла и металла при оптимальных энергетических и трудовых затратах. Плавка ведется в печах при атмосферном давлении. Нагрев, расплавление, перегрев сопровождаются сопутствующими металлургическими процессами: окислением алюминия и легирующих элементов, газонасиченням расплавов, растворением, испарением компонентов, взаимодействием жидкого металла с флюсами и футеровкой печи. Некоторые перечисленные процессы необходимы и полезны, другие – нежелательны, негативно влияют на качество получаемых сплавов.

Взаимное расположение атомов в кристаллической решетке твердого металла абсолютно одинаково во всех трех измерениях. Такое постоянство расположения атомов в кристаллических веществах называют дальним порядком. При расплавлении значительно возрастает амплитуда колебаний каждого атома кристаллической решетки, атомы приобретают возможности поступательного движения. В результате происходит нарушение дальнего порядка. Расположение атомов в расплавленном металле, сильно перегретом от температуры плавления, характерное для кристаллического состояния, сохраняется только в микрообъемах расплава. Эти участки называют «кластерами». Расположение атомов в этих объемах называют ближним порядком. При дальнейшем повышении температуры остатки кристаллоподобного строения полностью разрушаются. Исчезает ближний порядок и расплав переходит в бесструктурный состояние.

Некоторые свойства металлических расплавов. В производственных условиях в большинстве случаев работают не с чистым алюминием, а с алюминиевыми сплавами, кристаллизуются в определенном интервале температур. При плавке вторичного сырья, состоящего из различных марок алюминиевых сплавов, протекают процессы, которые определяются теплофизическими и физико-химическими свойствами алюминия. Это теплота плавления, температура плавления и удельная теплоемкость, что определяют количество тепла, необходимое для расплавления данного металла. Алюминий имеет сравнительно высокую теплоту плавления, наравне 385,2 Дж/г, и выше, чем у многих других металлов, теплоемкость, которая при температуре плавления составляет 1,143 Дж/г. Значения удельной теплоемкости для большинства металлов в жидком состоянии рассчитываются по формуле: С=7,15/А, Дж/(кг×град). Легирующие компоненты немного изменяют упомянутые выше характеристики в сравнении с чистым алюминием, поэтому их присутствие в сплаве не учитывают при выборе конструкции и мощности плавильной печи, для определения ее производительности, режима нагрева, допустимого перегрева сплава. Эти характеристики очень отличаются от аналогичных для других чистых металлов.

Высокая теплоемкость алюминия и алюминиевых сплавов обеспечивает определенные технологические преимущества. Например, технологам не приходится особо заботиться о скорости разливки изложницы по 6 или 10 т ковша. Металл в ковше хранится в жидком состоянии 1...2 часа. Но для некоторых других технологических процессов, где требуется обеспечить повышенную скорость охлаждения, это свойство алюминиевых сплавов создает определенные производственные трудности. Зависимость температуры жидкого алюминия от продолжительности выстаивания в ковшах емкостью 3 т. При непрерывном режиме разливки металла из печи средняя продолжительность расстойки определяется емкостью печи.

Для плавки алюминиесодержащего лома и отходов применяют печи разнообразных конструкций: пламенные отбивные, вращающиеся шахтные, вращающиеся поворотные, электрические индукционные, а также комбинации перечисленных типов. Выбор печи обусловлен технической и экономической целесообразностью для плавки определенного вида сырья. Например, для плавки чистых отходов (высечка, стружки) и лома без железных приработок подходят индукционные или вращающиеся печи тиглей. Огненные отбивные печи приспособлены для плавки крупногабаритного лома с железными приработками. При выборе печей большое значение имеет вместимость печи, которая должна соответствовать объемам производства, что гарантирует бесперебойную работу агрегата, а также способы нагрева. Особое внимание уделяется стоимости источников энергии в районе строительства цеха (завода).

Вторичное сырье во многих случаях содержит высокий процент засоренности, в состав которого входят оксиды, неметаллические материалы, механически связанные с алюминием предметы из других металлов (чугуна, стали, титана и др.). Используемые методы подготовки шихты до плавки не обеспечивают полную очистку сырья от примесей. Для такого сырья используют печи, конструкции которых позволяют просто, экономично, эффективно проводить отделение этих примесей от алюминия в период плавки. Большое значение имеет стоимость и сроки окупаемости устанавливаемых плавильных агрегатов. И, наконец, учитываются размеры ущерба окружающей среде, нанесенного в той или иной степени работой печей. Заводы, расположенные в черте крупных населенных пунктов, стоит преимущественно оборудовать электрическими печами. Огненные отбивные печи следует устанавливать при условии эффективной газоочистки. При выборе плавильного агрегата, кроме указанных характеристик, принимают во внимание величину теплового КПД печи.

После предварительной подготовки лом и отходы алюминия перерабатывают в плавильных агрегатах. По методу нагрева плавильные агрегаты можно разделить на две основные группы: топливные и электрические. К первой группе относятся печи, обогреваемые газом или жидким топливом, ко второй % обогреваются за счет электроэнергии. Примерно 2/3 объема алюминиевых сплавов проводят в огненных отражательных печах, которые по конструкции и принципу действия аналогичны мартеновским печам.

Огненные отбивные печи. Наибольшее распространение получили универсальные огненные отбивные печи, в которых плавят любое сырье: стружку, обрез, самолетный и кусковой лом с железными приработками и тому подобное. Они имеют высокую производительность и просты в обслуживании. Металлическая шихта отражательных печей для плавки вторичного алюминиевого сырья разнообразна и состоит из обрезов, лома и отходов литейных и деформированных сплавов, брикетов, стружки, шлаков и отходов собственного производства, сухой дробленой стружки, подготовительных сплавов и др. Использование того или иного вида металлической шихты в плавке зависит от печного агрегата, заданной марки сплава.

Для доведения расплавленной шихты заданного состава сплава применяют металлический кремний, медь, цинк и первичный алюминий. В пользу экономии первичных материалов часть их иногда заменяют ломом или отходами известного состава. Для получения сплавов высокого качества начальная металлическая сырье перед формированием шихты должна пройти определенную подготовку, что является важнейшим этапом в переработке вторичного сырья. В задачи подготовки сырья к отражательной плавке входят сортировка по видам и группам марок сплавов, обогащение и удаление вредных примесей (влаги, неметаллических вкраплений, железосодержащих приработок и тому подобное.), повышение насыпной массы и уменьшения размеров кусков до удобных по условиям загрузки при резке, дроблении или прессовании и брикетировании. Измельчение сырья облегчает отделение других материалов, а также деталей из различных алюминиевых сплавов[3].

4. Разливка и обработка сплавов

На большинстве предприятий вторичной цветной металлургии разливки металлов производят в изложницы разливочной машины конвейерного типа для получения чушек массой до 15 кг. В тех случаях, когда вторичные сплавы по химическому составу близки или соответствуют сплавам, которые готовятся из первичного металла, их отливают не только в чушки, но и в заготовку круглого или прямоугольного сплошного или полого сечений.

Круглые слитки используют для получения профилей, прутков, поковок и штамповок, труб и проволоки. За наружным диаметром сортамент отливных слитков условно разделить на четыре группы: до 200; 200...400; 400...800 и более 800мм. Длину отливных слитков стремятся довести до максимально возможной для повышения выхода годного. Плоские слитки-слябы используют преимущественно для прокатки листов. Толщина слябов чаще всего 200...400 мм и ширина 900...2100 мм. Для раскисления стали применяют алюминиевые сплавы, которые разливают в гранулы. В этом случае поток жидкого алюминия направляют в воду, а затем гранулы сушат и отправляют потребителям. Возможно получить гранулы путем распыления жидкого металла воздухом или инертным газом. Алюминиевые чушки массой до 15 кг получают на технологических линиях, состоящих из миксера (печи), устройства фильтрации и безокислительного разливки металла в изложницы литейного конвейера, установки для охлаждения чушек, чушкоукладчика и участка обвязки пакетов.

Слитки различных сечений (полые и сплошные круглые, прямоугольные) отливают методом на пол бесперерывного или непрерывного литья, сущность которого заключается в непрерывной подаче жидкого металла в специальный водоохлаждаемый кристаллизатор. При отливке круглых и плоских слитков широко применяют кристаллизаторы различных конструкций, состоящих из корпуса охладителя и гильзы-кристаллизатора, изготавливаемых из алюминиевых сплавов. Применяют также отливки слитков в электромагнитные кристаллизаторы. Литье с формированием слитка электромагнитным полем позволяет полностью исключить механическое взаимодействие между слитком и кристаллизатором, что обеспечивает высокое качество поверхности. Все больше в мире получают распространение совмещенные процессы непрерывного литья и прокатки металлов. Работы в этом направлении были начаты в 30-х годах прошлого века в США и СССР как для цветных металлов, так и их сплавов[3].

Список источников

  1. Бредихин В.Н., Шевелев А.И. Современные технологии для переработки отходов цветных металлов. -М.: ЦНИИЭИЦМ, В.1; 1991.
  2. Фетисов М.Ф., Кушнеров В.Ю., Бредихин В.Н. и др. Современный метод управления основностью агломерата, Сб. научн. трудов ДонНТУ, серия Металлургия, № 1(16) - 2(17), 2013.
  3. Колобов Г.А., Бредихин В.Н., Чернобаев В.М. Сбор и обработка вторичного сырья цветных металлов -М.: Металлургия, 1992.