Русский   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат за темою випускної роботи

зміст

Вступ

Алюміній (Al) - хімічний елемент третьої групи періодичної системи Д. І. Менделєєва. Атомний номер 13, атомна маса 26,9815. Це сріблясто-білий метал, легкий, легкоплавкий, пластичний, легко витягується в дріт і фольгу. Електропровідність алюмінію досить висока і поступається тільки сріблу (Ag) і міді (Cu) (в 2,3 рази менше ніж у міді), відноситься до групи легких металів. У природі існує один стабільний ізотоп 29Al[1].

Щільність алюмінію 2699,9 кг/м3 при температурі 20 °С, температура плавлення 660 °С, кипіння 2452 °С. Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну решітку і не має аллотропическими перетворень. Серед металів алюміній за поширеністю в природі займає перше місце, за практичним використанням - друге (після заліза). Кларк алюмінію дорівнює 8,05, що в перерахунку на Аl2О3 становить близько 15%. алюміній знаходиться практично скрізь на земній кулі, оскільки його оксид (Аl2О3) становить основу глинозему. Для порівняння вміст заліза в земній корі становить 4,65%, тобто в два рази менше. В металевому вигляді алюміній вперше був отриманий Х. К. Ерстедом в 1825 р. [1].

1. Переробка брухту і відходів на алюмінієвій основі

Основною сировиною для виробництва алюмінію служить глинозем - порошкоподібний оксид алюмінію, що складається з двох різновидів (модифікацій) оксиду: Аl2О3 (альфа-глинозем) і Аl2О3 (гамма-глинозем). Альфа-оксид алюмінію - найбільш стійка форма, зустрічається в природі у вигляді мінералу корунду. Він має міцну структуру, велику твердість і хімічну стійкість: температура плавлення корунду становить 20...54 °С. Гамма-глинозем отримують при зневодненні гідроксиду алюмінію, він добре взаємодіє з розчинами лугів і кислот, має високу гігроскопічність. Навіть нагрітий до 1000 °С гамма-глинозем містить близько 1% води, і тільки тривала витримка при 1200 °С повністю його зневоднює і гамма-глинозем при цьому перетворюється в корунд. Світова алюмінієва промисловість включає в себе видобуток бокситів, виробництво глинозему, первинного та вторинного алюмінію, характеризується високим рівнем концентрації і вертикальної інтеграції виробництва. посилення процесу концентрації у світовій алюмінієвій промисловості відображає існуючий стан на світовому ринку. В основному це обумовлено істотним зростанням експорту алюмінію з Росії після розпаду СРСР. Сьогодні на Росію припадає приблизно 20% світового експорту металу. За період 2003-2005 рр. попит на алюміній був дуже активним. Значне збільшення попиту на алюміній обумовлений переважно його використанням, постійно розширюється, в авіа - і автомобілебудуванні, в виготовленні пакувальних матеріалів в харчовій промисловості. Якщо в 1992 р в Європі на один легковий автомобіль витрата алюмінію становила в середньому 72 кг, в Японії - 160 кг, то в 2006 році цей показник зріс до 192 кг і 288 кг, відповідно. Середньорічні темпи зростання споживання оцінюються в 13%, причому реальні показники можуть відрізнятися від прогнозних темпів приблизно на 200 тис. т. [1].

Алюмінієва стружка

Рисунок 1 – Алюмінієва стружка

Алюмінієві сплави мають малу щільність (2500...3000 кг/м3) в поєднанні з дуже хорошими механічними властивостями і задовільною стійкістю до окислення. Особливо виділяються алюмінієві сплави з підвищеною пластичністю, що містять до 2,8% Mg і до 2,5% Mn - вони мають більшу, ніж чистий алюміній міцністю, легко піддаються витяжці, близькі по корозійної стійкістю до чистого алюмінію.

Алюміній - одна з найпоширеніших легуючих добавок в сплавах на основі титану, магнію, міді, цинку. Широко застосовують алюміній і для отримання різних хімічних сполук. Так, алюмінієвий галун [K2SO4%Al2(SO)4%] використовується як протрава при фарбуванні тканин і для дублення шкір, оксид алюмінію (Аl2О3) - як абразивний матеріал, адсорбент і каталізатор, у виробництві вогнетривких матеріалів. У сплавах на основі алюмінію в якості добавки використовуються мідь, магній, цинк, кремній, марганець, літій, кадмій, цирконій, хром та інші елементи. Алюмінієві сплави діляться на: ті, що деформуються - йдуть на виготовлення листів, прутків, профілів, поковок шляхом прокатки, пресування, кування; ливарні - призначені для лиття; спечені, спінені тощо. Деформуються алюмінієві сплави за обсягом виробництва складають близько 80%. Найбільшу популярність серед них отримали дюралюмінію (система Al-Cu-Mg-Mn) - термоукрепляемие сплави, широко застосовуються в транспортному і авіаракетної машинобудуванні.

Дюралюмінію - від французького слова dur-твердий, важкий і aluminium твердий алюміній. Дюралюмінію-сплави на основі алюмінію, містять: 1,4...13% Cu; 0,4...2,8% Mg; 0,2...1,0% Mn; іноді 0,5...6,0% Si; 5...7% Zn; 0,8...1,8% Fe; 0,02...0,35% Ti і ін. Дюралюмінію-найміцніші і найменш корозійностійкі з алюмінієвих сплавів, схильні до межкристаллической корозії. Для захисту листового дюралюмінію від корозії його поверхню плакируют чистим алюмінієм. Їм не властива хороша зварюваність, але завдяки іншим свої характеристикам застосовуються скрізь, де необхідна міцність і легкість. Найбільше застосування вони знайшли в авіабудуванні для виготовлення деталей турбореактивних двигунів. Магналії названі так через великий вміст в них магнію (Mg), сплави на основі алюмінію, що містять: 5...13% Mg; 0,2...1,6% Mn; іноді 3,5...4,5% Zn; 1,75...2,25% Ni; до 0,15% Be; до 0,2% Ti; до 0,2% Zr і ін.

Серед ливарних сплавів найпоширеніші-силуміни (Аl і до 23% Si-Cu-Mn-Mg). Мають відносно високі механічні властивості в поєднанні з корозійну стійкість у вологому і морської атмосферах; застосовуються для виготовлення деталей складної конфігурації в авто-, авіа - і суднобудівництві. Крім силуминов, застосовуються ливарні алюмінієві сплави на основі систем Al-Cu; Al-Cu-Si; Al-Mg% магналії, що містять 4...13% магнію.

До терміческі- підсилює сплавів ставляться також Авіа (AlMg-Si-Cu-Mn або МХ), високоміцні (Al-Cu-Mg-Zn), жароміцні (AlMg-Ni-Si) і кувальні (Al-Cu-Mg-Mn) сплави. Сплави алюмінію з марганцем (АМц) і з магнієм - магналії (Аl% 1...7% Mg) відносяться до термічно неусілівающім сплавів. Характеризуються середньою міцністю, хорошою пластичністю і зварюваністю, високу корозійну стійкість; застосовуються в судо - і авіабудуванні, у виробництві зварних ємностей, холодильників і так далі. Магналії відрізняються високою міцністю і стійкістю до корозії в прісній і навіть морській воді. Магналії також добре стійкі до дії азотної кислоти HNO3, розведеної сірчаної кислоти H2SO4, ортофосфорної кислоти H3PO4, а також в середовищах, що містять SO2. Застосовуються як конструкційний матеріал в авіа- будівництві, судно- будівництві, автомобілебудуванні (зварні баки, заклепки, бензопроводи, маслопріводи), для виготовлення арматури будівельних споруд, для виготовлення деталей холодильних установок, для виготовлення декоративних побутових предметів тощо. При змісті Mg вище 6% магналії схильні до міжкристалітної корозії, володіють більш низькі ливарні властивості, ніж силуміни.

Силуміни сплави на основі алюмінію з великим вмістом кремнію (Si). До складу силумінів входять,%: 3...26% Si, 1...4% Cu, 0,2...1,3% Mg, 0,2...0,9% Mn, іноді 2...4% Zn, 0,8...2,0% Ni, 0,1 ..0,4% Cr, 0,05...0,3% Ti і ін. При своїх невисокою міцності силуміни мають найкращі з усіх алюмінієвих сплавів ливарні властивості. Вони найчастіше використовуються там, де необхідно виготовити тонкостінні чи складні за формою деталі. За корозійної стійкості займають проміжне положення між дюралюмінію і Магналії. Знайшли своє основне застосування в авіабудуванні, вагонобудуванні, автомобілебудуванні і будівництві сільськогосподарських машин для виготовлення картерів, деталей коліс, корпусів і деталей приладів.

Пеноалюминия є відносно новим класом надлегких (100...900 кг/м3) металевих матеріалів, що складаються з великої (60...98%) кількості в основному закритих елементів, заповнених газом. Пеноалюминия має високу здатність гасити акустичні і електромагнітні хвилі, а також є ідеальними енергопоглотітелямі матеріалом[2].

2. Підготовка брухту і відходів алюмінію до металургійного переділу

Одним з головних питань при повторному використанні брухту відходів кольорових металів первинна підготовка вихідної сировини перед металургійним переділом. Первинна підготовка брухту і відходів кольорових металів включає наступні технологічні процеси:

  1. сортування сировини по фізичному стану, габаритам, найменуванню металів (сплавами), видалення чорних металів і неметалічних матеріалів, по засміченості, а також за іншими ознаками;
  2. фрагментація і дроблення;
  3. класифікація і різні види сепарації.

Раціональна первинна підготовка вторинних кольорових металів дозволяє підвищити всі основні техніко-економічні показники подальшого металургійного переділу; підвищити витягування кольорових металів; знизити паливно-енергетичні витрати на переплавку, скоротити витрату первинних металів, зменшити час плавки, виключити процеси рафінування. Немає нічого дорожчого, ніж дешева металургійна шихта.

У невикористовуваних видах відходів коефіцієнт повернення кольорових металів у відходах споживання становить близько 50%, у відходах виробництва - близько 85%, а загальний коефіцієнт повернення кольорових металів - 65...70%. Отже, третина споживаних кольорових металів не повертається народногосподарський оборот, а практично безповоротно втрачається. Великі втрати алюмінію з кабельними відходами споживання. Кабель практично не витягується в гірських виробках, з траншей і трас. Алюміній втрачається з відходами споживання чорних металів в списаних машинах і механізмах, зокрема в відходах побутової техніки: холодильники, пральні, швейні машини тощо. Розробка нових технологічних процесів і обладнання для збагачення брухту і відходів кольорових металів є досить актуальною народногосподарським завданням.

Метал, отриманий з руди або відходів, врешті-решт, не має хімічних і фізичних відмінностей. Однак енергетичні витрати при отриманні металу з руди значно більше (іноді на порядок), ніж при отриманні металу з відходів. При відкритому видобутку руд необхідні розкривні роботи, а при підземній розробці родовищ - будівництво рудників (шахт). А оскільки в більшості випадків руди кольорових металів характеризуються невисоким вмістом основного металу, то необхідно будівництво збагачувальних фабрик. Запаси природних руд непоправні, близько розташованих до поверхні землі родовищ стає все менше, тому видобуток і збагачення руд стає все дорожче, що обумовлює підвищення цін на кольорові метали. Вагома частка подорожчання виробництва кольорових металів обумовлена і необхідністю будівництва також природоохоронних споруд, а також плати за землю, яка зайнята відходами виробництва.

У зв'язку з цим отримання кольорових металів з відходів виробництва і споживання вже досить давно стало другим способом цілком конкурентоспроможним і ефективним. Спостерігається постійне збільшення частки отримання кольорових металів із вторинної сировини. Так, в промислово розвинених країнах приріст виробництва кольорових металів за 90-ті роки минулого століття склав,%: алюмінію - 16 (з вторинної сировини - 13); міді - 6 (з вторинної сировини - 30); свинцю - 8 (з вторинної сировини - 15); цинку - 9 (з вторинної сировини - 8). Із зазначеного вище обсягу споживання алюмінію 50 млн. Т/рік, при цьому 26...28 млн. Т отримано з первинної сировини, а 22...24 млн. Т-с вторинної.

Для України шлях отримання кольорових металів з брухту і відходів їх виробництва став після 1991 р надзвичайно актуальним. Це пояснюється тим, що в Україні відсутня промисловий видобуток руд алюмінію, міді, цинку, свинцю і ряду інших кольорових металів. Крім того розвіданих запасів бокситів для виробництва алюмінію немає. А переробка невеликих запасів нефелінових руд вимагає застосування нових технологій. Видова сортування. Сортування слід починати з моменту вивантаження брухту. Основну частину нероздробленіх кускових відходів на основі алюмінію піддають ручному сортуванні на сортувальних конвеєрах і столах. Лом, розсортоване при вивантаженні з видовими ознаками, збирають окремо і піддають подальшій обробці в залежності від його індивідуальних особливостей.

Відмінними ознаками при цьому виді сортування є: колір, щільність, твердість, характер зламу, магнітні властивості, форма виробів. Оскільки поверхню металу часто має захисні покриття (фарба, анодування, лакування і ін.), То колір металу слід визначати за зрізом або зламом металу. Лом ливарних сплавів сортують по ливарними ознаками: ливарні припливи, ребра жорсткості, сліди ліній роз'ємну форм, складності конфігурації виробів. Маркування. Марку сплаву визначають з маркуванням, виконаної у вигляді відлитих цифр або нанесеної фарбою на деталях і заготовках по ГОСТ 2171-90.

Крапельний метод. Спосіб заснований на реакції між елементами сплаву і реактивами, що наносяться у вигляді крапель. При цьому утворюється пляма або осад з певним забарвленням, який вказує на наявність в сплаві того чи іншого компонента. Для відділення алюмінієвих сплавів від магнієвих та цинкових сплавів використовують реактив: CdSO4+NaCl+HCl. На алюмінієвих сплавах, після нанесення краплі зазначеного розчину, забарвлення поверхні не відбувається, а на магнієвих і цинкових сплавах% з'являється чорне забарвлення. Основними недоліками ручного сортування брухту та відходів кольорових металів є значна трудомісткість, низька продуктивність процесу, неможливість сортування за візуальними ознаками близькими за складом груп сплавів. Найбільшу складність представляють якісна сортування мелкокусковой брухту і відходів величиною менше 100 мм, кількість якого в сировині досягає 50...55%. Основна запорука якісного, надійного сортування відходів - висока кваліфікація і досвід сортувальника, а також максимальне застосування різних приладів і спеціальних інструментів і пристосувань[2].

3.Теоретичні основи плавки алюмінієвого брухту і відходів

Основна мета плавки-отримання сплавів, що відповідають за хімічним складом, фізико-хімічними і механічними властивостями вимогам стандартів. Сучасна технологія плавки забезпечує мінімальні втрати тепла і металу при оптимальних енергетичних і трудових витратах. Плавка ведеться в печах при атмосферному тиску. Нагрівання, розплавлення, перегрів супроводжуються супутніми металургійними процесами: окисленням алюмінію і легуючих елементів, газонасіченням розплавів, розчиненням, випаровуванням компонентів, взаємодією рідкого металу з флюсами і футеровкою печі. Деякі перераховані процеси необхідні і корисні, інші - небажані, негативно впливають на якість одержуваних сплавів.

Взаємне розташування атомів в кристалічній решітці твердого металу абсолютно однаково в усіх трьох вимірах. Така сталість розташування атомів в кристалічних речовинах називають далеким порядком. При розплавленні значно зростає амплітуда коливань кожного атома кристалічної решітки, атоми набувають можливості поступального руху. В результаті відбувається порушення далекого порядку. Розташування атомів в розплавленому металі, сильно перегрітому від температури плавлення, характерне для кристалічного стану, зберігається тільки в мікрооб'ємах розплаву. Ці ділянки називають «кластерами». Розташування атомів в цих обсягах називають ближнім порядком. При подальшому підвищенні температури залишки кристалоподібні будови повністю руйнуються. Зникає ближній порядок і розплав переходить в неструктурний стан.

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). Удельная теплоемкость некоторых металлов приведена в табл. 6.5. 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.

Висока теплоємність алюмінію і алюмінієвих сплавів забезпечує певні технологічні переваги. Наприклад, технологам не доводиться особливо піклуватися про швидкість розливання виливниці по 6 або 10 т ковша. Метал в ковші зберігається в рідкому стані 1...2 години. Але для деяких інших технологічних процесів, де потрібно забезпечити підвищену швидкість охолодження, це властивість алюмінієвих сплавів створює певні виробничі труднощі. Залежність температури рідкого алюмінію від тривалості вистоювання в ковшах ємністю 3 т і температури навколишнього повітря наведена в табл. 6.6. При безперервному режимі розливання металу з печі середня тривалість вистоювання визначається ємністю печі.

Для плавки алюмініесодержащего брухту і відходів застосовують печі різноманітних конструкцій: полум'яні відбивні, що обертаються шахтні, обертові поворотні, електричні індукційні, а також комбінації перерахованих типів. Вибір печі обумовлений технічною відсталістю та економічною доцільністю для плавки певного виду сировини. Наприклад, для плавки чистих відходів (вирубування, стружки) і брухту без залізних приробіток підходять індукційні або обертові печі тиглів. Вогненні відбивні печі пристосовані для плавки великогабаритного брухту із залізними заробітками. При виборі печей велике значення має місткість печі, яка повинна відповідати обсягам виробництва, що гарантує безперебійну роботу агрегату, а також способи нагріву. Особлива увага приділяється вартості джерел енергії в районі будівництва цеху (заводу).

Вторинна сировина в багатьох випадках містить високий відсоток засміченості, до складу якого входять оксиди, неметалеві матеріали, механічно пов'язані з алюмінієм предмети з інших металів (чавуну, сталі, титану та ін.). Використовувані методи підготовки шихти до плавки не забезпечують повну очистку сировини від домішок. Для такої сировини використовують печі, конструкції яких дозволяють просто, економічно, ефективно проводити відділення цих домішок від алюмінію в період плавки. Велике значення має вартість і терміни окупності встановлюються плавильних агрегатів. І, нарешті, враховуються розміри збитку навколишньому середовищу, нанесеного в тій чи іншій мірі роботою печей. Заводи, розташовані в межах великих населених пунктів, варто переважно обладнати електричними печами. Вогненні відбивні печі слід встановлювати за умови ефективної газоочистки. При виборі плавильного агрегату, крім зазначених характеристик, беруть до уваги величину теплового ККД печі.

Після попередньої підготовки лом і відходи алюмінію переробляють в плавильних агрегатах. За методом нагріву плавильні агрегати можна розділити на дві основні групи: паливні та електричні. До першої групи належать печі, що обігріваються газом або рідким паливом, до другої% обігріваються за рахунок електроенергії. Приблизно 2/3 обсягу алюмінієвих сплавів проводять у вогненних відбивних печах, які за конструкцією та принципом дії аналогічні мартенівських печей.

Вогненні відбивні печі. Найбільшого поширення набули універсальні вогняні відбивні печі, в яких плавлять будь-яка сировина: стружку, обріз, літаковий і кусковий брухт із залізними заробітками тощо. Вони мають високу продуктивність і прості в обслуговуванні. Металева шихта відбивних печей для плавки вторинного алюмінієвого сировини різноманітна і складається з обрізів, брухту і відходів ливарних і деформованих сплавів, брикетів, стружки, шлаків і відходів власного виробництва, сухий подрібненої стружки, підготовчих сплавів і ін. Використання того чи іншого виду металевої шихти в плавці залежить від пічного агрегату, заданої марки сплаву.

Для доведення розплавленої шихти заданого складу сплаву застосовують металевий кремній, мідь, цинк і первинний алюміній. На користь економії первинних матеріалів частина їх іноді замінюють ломом або відходами відомого складу. Для отримання сплавів високої якості початкова металева сировина перед формуванням шихти повинна пройти певну підготовку, що є найважливішим етапом в переробці вторинної сировини. До завдань підготовки сировини до відбивної плавки входять сортування за видами і групам марок сплавів, збагачення і видалення шкідливих домішок (вологи, неметалевих вкраплень, залізовмісних приробіток тощо.), Підвищення насипної маси і зменшення розмірів шматків до зручних за умовами завантаження при різанні, дробленні або пресуванні і брикетуванні. Подрібнення сировини полегшує відділення інших матеріалів, а також деталей з різних алюмінієвих сплавів[3].

4. Розлив і обробка сплавів

На більшості підприємств вторинної кольорової металургії розливання металів виробляють в виливниці розливної машини конвеєрного типу для отримання чушок масою до 15 кг. У тих випадках, коли вторинні сплави по хімічному складу близькі або відповідають металам, які готуються з первинного металу, їх відливають не тільки в чушки, але і в заготовку круглого або прямокутного суцільного або полого перетинів.

Круглі злитки використовують для отримання профілів, прутків, поковок і штамповок, труб та дроту. За зовнішнім діаметром сортамент відливних злитків умовно розділити на чотири групи: до 200; 200...400; 400...800 і більше 800мм. Довжину відливних злитків прагнуть довести до максимально можливої для підвищення виходу придатного. Плоскі злитки-сляби використовують переважно для прокатки листів. Товщина слябів найчастіше 200...400 мм і ширина 900...2100 мм. Для розкислення стали застосовують алюмінієві сплави, які розливають в гранули. У цьому випадку потік рідкого алюмінію направляють в воду, а потім гранули сушать і відправляють споживачам. Можливо отримати гранули шляхом розпилення рідкого металу повітрям або інертним газом. Алюмінієві чушки масою до 15 кг отримують на технологічних лініях, що складаються з міксера (печі), пристрої фільтрації і безокисного розливання металу у виливниці ливарного конвеєра, установки для охолодження чушок, чушкоукладчіка і ділянки обв'язки пакетів.

Злитки різних перетинів (порожнисті і суцільні круглі, прямокутні) відливають методом на підлогу безперервно або безперервного лиття, сутність якого полягає в безперервній подачі рідкого металу в спеціальний водоохолоджуваний кристаллизатор. При литві круглих і плоских злитків широко застосовують кристалізатори різних конструкцій, що складаються з корпусу охолоджувача і гільзи-кристалізатора, що виготовляються з алюмінієвих сплавів. Застосовують також виливки злитків в електромагнітні кристалізатори. Лиття з формуванням зливка електромагнітним полем дозволяє повністю виключити механічне взаємодія між злитком і кристалізатором, що забезпечує високу якість поверхні. Все більше в світі набувають поширення суміщені процеси безперервного лиття і прокатки металів. Роботи в цьому напрямку були розпочаті в 30-х роках минулого століття в США і СРСР як для кольорових металів, так і їх сплавів[3].

Список джерел

  1. Бредіхін В.Н., Шевельов А.И. Сучасні технології для переробки відходів кольорових металів. -М .: ЦНІІЕІЦМ, В.1; +1991.
  2. Фетисов М.Ф., Кушнеров В.Ю., Бредіхін В.Н. та ін. Сучасний метод управління основностью агломерату, Сб. наук. праць ДонНТУ, серія Металургія, № 1 (16) - 2 (17), 2013.
  3. Колобов Г.А., Бредіхін В.Н., Чернобаев В.М. Збір та обробка вторинної сировини кольорових металів -М .: Металургія, 1992.