СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА
PROCEDURE FOR PROCESSING WASTES OF ALUMINIUM PRODUCTION

Изобретение относится к области вторичной металлургии алюминия, а именно к переработке алюминиевых шлаков, обедненных металлургическим способом (например, в роторных наклонных печах), отсевов линий обогащения шлаков, шламов газоочистки печей переплава алюминия и других отходов алюминиевого производства, содержащих дисперсный металлический алюминий (мелкие корольки и алюминиевую пыль).
Известен способ переработки бедного алюминиевого шлака, заключающийся в его измельчении, выщелачивании в воде, выпаривании рассола или обогащении рассола с помощью ионообменной или мембранной технологий с последующей сушкой выделяющихся солей и сушки нерастворимой в воде оксидной составляющей, из которой выделяют небольшое количество корольков алюминия. Остальная часть оксидной составляющей идет на дальнейшую переработку или на захоронение (Комплексная переработка солевых алюмосодержащих шлаков [Текст]: монография / С.Д.Куценко, Л.Н.Курдюмова, Н.В.Кубаткина. - Орел: ОрелГТУ, 2007. - 171 с.).
Недостатками такого способа являются его высокая энергоемкость, многостадийность процесса, отрицательная рентабельность и невозможность извлечения дисперсного алюминия, который при контакте с водой окисляется.
Наиболее близким по технологической сути к заявляемому изобретению является способ переработки алюминиевого шлака, при котором измельченный шлак после отделения металлического алюминия в виде корольков подвергают гранулированию с топливом, после чего осуществляют разделение оксидной и солевой частей шлака путем испарения солей в процессе спекания гранулированного материала при температуре выше температуры кипения солей. При этом солевая часть шлака конденсируется в пылеосадительном устройстве и рукавном фильтре (патент РФ №2132398 от 27.06.1999, С22В 7/04, С22В 1/16). Данный способ принят за прототип.
Недостатком прототипа является невозможность извлечения дисперсного алюминия, который окисляется в процессе приготовления гранул и окатышей, проводящегося с добавлением воды или водных растворов или в результате предварительного реагирования с водой. О последнем говорит отсутствие в сырье нитрида алюминия и наличие от 6 до 12 процентов воды, что приводится в примерах реализации способа. Прототип также характеризуется высокой энергоемкостью и сложной предварительной подготовкой шлака.
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность извлечения из алюминиевого шлака и других отходов алюминиевого производства содержащегося в них дисперсного алюминия, что невозможно осуществить известными способами, в том числе по прототипу. Это обеспечивает возможность переработки шлаков, шлаковых отсевов и шлама газоочистки, содержащих соли и дисперсный алюминий, которые в настоящее время идут на захоронение. При этом происходит снижение энергоемкости, исключаются сложные подготовительные операции.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе переработки отходов алюминиевого производства, включающем нагрев отходов в реакторе с разделением их оксидной и солевой составляющих частей с применением пылеосадительного устройства и рукавного фильтра, согласно изобретению используют отходы, не имевшие контакта с влагой, которые нагревают в реакторе до температур не ниже 800°С и выдерживают до начала и полного прохождения алюмотермических реакций при перемешивании и подаче в реактор воздуха, при этом в пылеосадительном устройстве осаждают концентрат металлического алюминия, а в последовательно расположенном рукавном фильтре осаждают солевую составляющую часть отходов.
Переработку отходов можно осуществлять как в циклическом, так и в непрерывном режимах.
Ограничение контакта отходов с атмосферной влагой позволяет избежать окисления мелких корольков и пылеобразного алюминия, которые являются источником энергии при алюмотермических реакциях. В зоне реакции происходит окисление металлического алюминия до оксидов, окисление нитрида алюминия до свободного азота и оксидов алюминия. Выделяемая при этом энергия идет на поддержание реакции, образование сложных оксидов алюминия и других металлов со структурой шпинели, испарение хлористых солей, входивших в состав флюсов, и летучих соединений алюминия, разогрев до температуры начала реакции новых порций отходов при работе реактора в непрерывном режиме. Выгружаемая из реактора оксидная составляющая представляет собой смесь шпинели, оксида алюминия и оксида магния, соотношение которых зависит от состава загружаемых в реактор отходов.
При температурах алюмотермических реакций алюминий становится двух- и одновалентным. При этом вместо Аl2O3 и АlСl3 образуются летучие субсоединения АlO, Аl2O, АlСl2, АlСl, которые уносятся отходящими газами в газоочистку. Охлаждаясь при смешивании с холодным воздухом, эти соединения распадаются по реакциям:
3AlO→Аl2O3+Аl
3Аl2O→Аl2O3+4Аl
3AlСl2→2АlСl3+Аl
3АlСl→АlСl3+2Аl
Образующийся при этом металлический алюминий и оксид алюминия конденсируются в виде частиц размерами более 100 микрон и хорошо улавливаются в пылеосадительных устройствах. Солевая составляющая часть отходов (возгоны солей) конденсируется в виде частиц меньших размеров и улавливается в рукавном фильтре. Таким образом, происходит отделение алюминиевого концентрата от солевой составляющей.
На поддержание реакции расходуется от 33 до 50% содержащегося в сырье алюминия. От 50 до 67% алюминия посредством описанных транспортных реакций переносятся в систему пылеулавливания.
Реактор может представлять собой осесимметричную емкость, вращающуюся вокруг своей оси и футерованную изнутри жаропрочным материалом.
В циклическом режиме отходы загружают в реактор, нагревают до загорания, выжигают алюминий до прекращения или затухания реакции и выгружают из реактора, затем цикл повторяют. В непрерывном режиме после начала алюмотермических реакций отходы непрерывно или порциями подают в зону реакции через загрузочный отдел реактора, а отожженные отходы непрерывно выгружают с противоположной части реактора. Перемешивание отходов осуществляют за счет вращения реактора. Поступление воздуха в зону реакции осуществляют самотоком или путем вдувания вентилятором. Температуру реакции регулируют путем изменения скорости вращения реактора, скорости подачи перерабатываемых отходов и скорости подачи воздуха.
Пример 1. В качестве реактора использовали роторную наклонную печь емкостью 1 тонна с индивидуальной системой пылеулавливания, состоящей из искрогасителя в качестве пылеосадительного устройства и рукавного фильтра, соединенных последовательно. В качестве сырья для переработки использовали шлак, оставшийся в этой же печи после переплава ломов и слива полученного при этом металла. По результатам предварительных исследований химсостава такого шлака в нем содержится 2-5% корольков алюминия размерами менее 3 мм и до 10% дисперсного пылеобразного алюминия, извлечь которые металлургическим способом невозможно. Путем механической обработки или выщелачиванием можно извлечь только часть корольков, что не окупает затрат на переработку. Оставшаяся часть шлака состоит из оксидов алюминия и оксидов легирующих металлов и солей (40-50%), использующихся при плавке в качестве флюса для предотвращения окисления алюминия. Наличие металлического алюминия и особенно солей делает невозможным дальнейшее использование шлака. Поэтому такой шлак обычно идет на захоронение в специально оборудованные отвалы.
Оставшийся в печи обедненный алюминием шлак с температурой 700-750°С (измерения температуры осуществлялись дистанционным инфракрасным пирометром) нагревали далее газовой горелкой при непрерывном вращении печи для испарения большей части солей и возникновения очагов загорания. При температурах от 800°С и выше в печи наблюдалось сильное задымление, что говорит об интенсивном испарении солей. При остановке вращения печи задымление снижалось и на поверхности шлака становились заметны очаги возгорания (белого свечения) с более высокой температурой, чем основная масса шлака, что говорит о начале алюмотермических реакций. При продолжении нагрева и вращения очаги загорания распространялись по всей массе шлака. Выделяющиеся при этом летучие продукты реакции с помощью вентилятора вместе с окружающим воздухом засасывались в автономную систему пылеулавливания, где конденсировались и осаждались.
После загорания всего шлака крышка печи, на которой установлена горелка, отводилась и горелка отключалась. Открывание крышки обеспечивало приток воздуха в зону горения. Вращение печи обеспечивало перемешивание шлака и прохождение окислительных реакций по всему объему шлака. Температура шлака поднималась до 1700°С и выше. Интенсивностью горения управляли визуально путем изменения скорости вращения печи (от 0 до 6 оборотов в минуту). Приблизительно через 30 минут горения с открытой крышкой температура в зоне реакции снижается, выделение дыма и белое свечение сокращалось. Выждав еще 10 минут, производили выгрузку отожженного шлака и других продуктов реакции.
В результате проведенных операций из реактора печи выгрузили сыпучий материал, состоящий из оксидов алюминия и шпинели (оксидная составляющая часть отходов), где полностью отсутствовал металлический алюминий. Из пылеосадительного устройства (искрогасителя) выгрузили алюминиевый концентрат с содержанием алюминия около 50%, пригодный для выделения алюминия металлургическим способом, а из рукавного фильтра выгрузили смесь хлоридов натрия и калия в количестве около 85% (солевая составляющая часть отходов).
Данным путем можно осуществить заявленный способ, но быстрое повышение температуры шлака на 900°С для футеровки реактора печи является термоударом и способствует ускоренному ее разрушению. В связи с этим лучше процесс осуществлять в непрерывном режиме.
Пример 2. Предлагаемый способ был реализован в непрерывном режиме на опытном реакторе, изготовленном в виде вращающегося цилиндра, футерованного жаростойким бетоном и установленного под углом 7° градусов к горизонту. Использовался шлак, взятый после переплава ломов на роторной наклонной печи, который хранился в условиях отсутствия контакта с влагой. Воздух в зону горения подавался принудительно вентилятором горелки, установленным со стороны выгрузки отожженного шлака, холодный шлак загружался с противоположной стороны с помощью вибропитателя. Пламя горелки использовалось только в начальный момент процесса для разогрева футеровки и доведения первой порции шлака до начала алюмотермических реакций, что оценивалось визуально по появлению в реакторе белого свечения и интенсивного дымообразования. Новая порция шлака добавлялась в реактор при появлении признаков затухания реакций горения.
В результате переработки 10 тонн холодного шлака получено:
оксидной составляющей - 5,8 тонны;
алюминиевого концентрата - 1,2 тонны;
солевой составляющей - 3,6 тонны.
Из алюминиевого концентрата в тигельной печи было выплавлено 470 кг металлического алюминия.
Состав полученных компонентов в процентах, определяемый рентгенофазовым анализом, представлен в таблице 1.
Пример 3. В цилиндрическом реакторе перерабатывали отсев шлака фракции - 3 мм, остающийся после обогащения шлака путем его дробления и рассева на фракции (хранение отсева шлака осуществлялось в условиях отсутствия контакта с влагой). Эта фракция обычно не используется для дальнейшей переработки и идет на захоронение.
В результате переработки 10 тонн отсева шлака заявленным способом получено:
оксидной составляющей - 5,3 тонны;
алюминиевого концентрата - 3,2 тонны;
солевой составляющей - 3,2 тонны.
Из алюминиевого концентрата в тигельной печи было выплавлено 1520 кг металлического алюминия. Состав полученных компонентов в процентах, определяемый рентгенофазовым анализом, представлен в таблице 2.
Полученные в результате переработки отсева шлака данные близки к результатам, полученным при переработке шлака от роторной наклонной печи.
Пример 4. В цилиндрическом реакторе перерабатывали пылеобразный шлам газоочистки печи для плавки алюминиевых отходов (хранение шлама осуществлялось в условиях отсутствия контакта с влагой). Такой шлам не имеет применения и идет только на захоронение.
Для исключения пылеобразования и уноса неотожженной пыли в систему пылеулавливания шлам предварительно фасовался в пластиковые мешки, скорость вращения реактора снижали до 0,5 об/мин, а подачу воздуха осуществляли самотоком за счет естественной тяги.
В результате переработки 10 тонн шлама получено:
оксидной составляющей - 5,8 тонны;
алюминиевого концентрата - 1,8 тонны;
солевой составляющей - 3,6 тонны.
Из алюминиевого концентрата в тигельной печи было выплавлено 870 кг металлического алюминия.
Состав полученных компонентов в процентах, определяемый рентгенофазовым анализом, представлен в таблице 3.
Приведенные в таблицах данные по составу компонентов, полученных в результате переработки отходов алюминиевого производства предложенным способом, показывают, что данный способ позволяет осуществлять переработку алюминиевых отходов, содержащих соли и дисперсный алюминий, которые в настоящее время идут на захоронение. При этом отожженный шлак не содержит металлического алюминия, нитрида алюминия и практически не содержит солей. Это позволяет использовать его при производстве жаростойких бетонов, кирпича, других жаростойких изделий и для приготовления формовочных смесей в литейном производстве.
Алюминиевый концентрат содержит металлический алюминий, который можно выделить в чистом виде металлургическим способом. Причем его количество превышает количество корольков, которое можно получить механическим способом переработки шлака путем отбора корольков.
Солевая составляющая содержит более 80% солей и может быть использована в качестве флюса в производстве вторичного алюминия.
По сравнению с известными аналогами при осуществлении заявляемого способа происходит снижение энергоемкости, исключаются сложные подготовительные операции.