СПОСОБ И СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ШЛАКА
SLAG PROCESSING METHOD AND SYSTEM

ДАННЫЕ О РОДСТВЕННЫХ ЗАЯВКАХ
Эта заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 62/208273, поданной 21 августа 2015 г., описание которой полностью включено сюда посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Технология настоящего изобретения относится в целом к обработке шлака (дросса), который образуется в процессе переработки алюминия или аналогичном процессе. Обработка шлака включает извлечение алюминия из шлака и охлаждение и/или гашение шлака.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обычно с целью извлечения цветных металлов, в частности алюминия, из шлака применяют устройство сжатия шлака. Шлак обычно скачивают или снимают из печи, в которой обрабатывается алюминий, в качестве части операции переработки или плавки алюминия, но этот шлак может быть получен и другими путями.
Алюминиевый шлак является сочетанием металлического алюминия и оксидов алюминия, а также других возможных компонентов, таких как различные оксиды, нитраты и карбиды. Обычно шлак всплывает на поверхность жидкого металлического алюминия в печи. Алюминиевый шлак может содержать где-то от десяти процентов до девяноста процентов алюминия в зависимости от конкретного метода обработки и типа печи. Следовательно, шлак в операции плавки алюминия включает значительное количество металлического алюминия, который рассматривается в качестве ценного ресурса для извлечения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан вид в разрезе иллюстративного варианта системы переработки шлака, выполненном вдоль продольной оси конвейерной системы для нее.
На фиг.2 показан вид в перспективе системы по фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее варианты осуществления будут описаны со ссылкой на чертежи, на всех из которых одинаковые ссылочные номера используют для обозначения одинаковых элементов. Следует понимать, что эти фигуры не обязательно выполнены в масштабе. Признаки, которые описаны и/или проиллюстрированы по отношению к одному варианту осуществления, могут быть использованы таким же или аналогичным образом в одном или более других вариантах осуществления и/или в комбинации с признаками или вместо признаков этих других вариантов осуществления.
Раскрыты системы и способы для извлечения алюминия из шлака и для охлаждения и/или гашения шлака с целью снижения термитного горения шлака. Шлаком может быть любой алюминийсодержащий шлак, включая шлак с низким содержанием алюминия и высоким содержанием солей и/или оксидов (например, так называемый «черный шлак», содержащий всего лишь от 5 процентов до 10 процентов алюминия), шлак с высоким содержанием алюминия и низким содержанием солей и/или оксидов (например, так называемый «белый шлак» со столь высоким содержанием алюминия, как от 60 процентов до 90 процентов), и шлак, в котором содержание алюминия и солей/оксидов относительно сбалансировано (например, так называемый «серый шлак»).
В этих системах и способах контейнер со шлаком перемещают на станцию перемешивания шлака, где применяют шлаковую мешалку для перемешивания шлака, пока он горячий, и отделения извлекаемого алюминия от оксидов, флюса и другого материала. Извлекаемый алюминий может быть слит из этого контейнера. Затем контейнер со шлаком перемещают на станцию прессования, где применяют шлаковый пресс для прикладывания к шлаку усилия. Это позволяет сжать шлак для извлечения дополнительного алюминия, а также для охлаждения и/или подавления какого-либо горения шлака. После обработки шлак может быть в виде куска шлака.
Контейнер шлака можно продвигать по этим станциям с использованием конвейера. Один или более контейнеров шлака, содержащих горячий шлак, могут быть поставлены на обработку шлаковой мешалкой и шлаковым прессом. Конвейер может автоматически продвигать каждый контейнер шлака с участка постановки к шлаковой мешалке на подходящее количество времени, в течение которого шлак перемешивают, затем к шлаковому прессу на подходящее количество времени, в течение которого шлак прессуют, а затем к участку извлечения. Один контейнер шлака может подвергаться перемешиванию, в то время как другой контейнер шлака может подвергаться прессованию. Предполагается, что при некоторых обстоятельствах сочетание перемешивания шлака и прессования шлака синергически приведет к большему извлечению алюминия и повышенному охлаждению шлака по сравнению с применением только перемешивания шлака или только прессования шлака.
Со ссылкой на фиг.1 и 2 проиллюстрирована примерная система 10 обработки шлака. Система 10 обработки шлака включает в себя конвейерный агрегат 12 и обрабатывающий агрегат 14, который включает в себя станцию 16 перемешивания и станцию 18 прессования.
Конвейерная система 12 перемещает шлаковые чаши 20 (также называемые контейнерами шлака) через обрабатывающий агрегат 14. Каждая шлаковая чаша 20 может иметь полость 22, в которую принимают горячий шлак (не показан). В одном варианте осуществления полость 22 является округлой в сечении, выполненном вдоль вертикальной оси шлаковой чаши 20. Круглая форма сечения полости 22 позволяет мешалке на станции 16 перемешивания вращаться внутри этой полости и, в некоторых вариантах осуществления, скрести по боковым стенкам 24 полости 22. Каждую шлаковую чашу 20 можно установить на верх поддона 26 для слива (также называемого изложницей для слитков) и можно транспортировать с этим поддоном для слива. Спаренные шлаковая чаша 20 и поддон 26 для слива, вместе перемещающиеся через обрабатывающий агрегат 14, будут совместно называться емкостью 27 для обработки шлака. Таким образом, в одном варианте осуществления поддон 26 для слива может перемещаться со шлаковой чашей 20 конвейерным агрегатом 12, причем конвейерный агрегат 12 действует, например, из-под емкости 27 для обработки шлака. В другом варианте осуществления шлаковая чаша 20 и поддон 26 для слива являются отдельными, но оба перемещаются конвейерным агрегатом 12 (например, шлаковая чаша 20 может быть расположена над конвейерным агрегатом 12, а поддон 26 для слива может быть расположен под конвейерным агрегатом 12). В еще одном варианте осуществления поддон 26 для слива, который транспортируется со шлаковой чашей 20, может отсутствовать. В этом варианте осуществления под станцией 16 перемешивания и станцией 18 прессования может быть расположен постоянный шлакоприемный желоб для улавливания любого жидкого алюминия, который стекает из шлаковой чаши 20 в ходе описанной ниже обработки. Уловленный жидкий алюминий можно вынуждать течь на участок утилизации. В качестве альтернативы, поддон 26 для слива может транспортироваться на станцию 16 перемешивания и станцию 18 прессования и с этих станций 16 и 18 с помощью отдельной конвейерной системы, отличной от конвейерного агрегата 12, используемого для перемещения шлаковых чаш 20.
В продолжение проиллюстрированного варианта осуществления, поддон 26 для слива может улавливать извлеченный алюминий в приемной полости 28, которая расположена под отверстием 30 в дне полости 22. Жидкий алюминий, который отделяется от шлака под действием силы тяжести, перемешивания и/или прессования, может сливаться через отверстие 30 в полости 22 в приемную полость 28.
Шлаковая чаша 20 и/или поддон 26 для слива могут перемещаться с помощью вилочного погрузчика или другого механизма за счет введения вил, которые используются для подъема и транспортировки шлаковой чаши 20 и/или поддона 26 для слива, в соответствующие каналы 32, 34 шлаковой чаши 20 и/или поддона 26 для слива.
Шлаковая чаша 20 может содержать приспособления для увеличения потока металла к дну полости 22 и отверстию 30. Могут присутствовать другие приспособления для содействия охлаждению, такие как лопасти, карманы для приема потока охлаждающих газа или жидкости вокруг полости, и т.п.
Конвейерный агрегат 12 выполнен с возможностью продвижения емкостей 27 для обработки шлака последовательно через ряд заданных положений. Положения могут включать положение постановки перед обрабатывающим агрегатом 14 на участке 42 постановки, положение перемешивания на станции 16 перемешивания, положение прессования на станции 18 прессования и положение извлечения на участке 44 извлечения после обрабатывающего агрегата 14. В одном варианте осуществления обрабатывающий агрегат 14 предназначен для непрерывной обработки шлака. С этой целью, пока шлак в одной шлаковой чаше 20 перемешивают на станции 16 перемешивания, шлак, который уже перемешан и находится в другой шлаковой чаше 20, прессуют на станции 18 прессования. В это время шлаковая чаша 20, содержащая необработанный шлак, может быть установлена на свое место на участке 42 постановки. В качестве альтернативного варианта, пустая шлаковая чаша 20 может быть помещена (поставлена) на участке 42 постановки, и в эту поставленную шлаковую чашу 20 может быть загружен или завален необработанный шлак. Также в течение этого времени шлаковая чаша 20 с обработанным шлаком и поддон 26 для слива с извлеченным алюминием могут быть удалены с участка 44 извлечения для дальнейшей переработки или утилизации прессованного шлака из полости 22 и извлечения алюминия из полости 28. В качестве альтернативы удалению шлаковой чаши 20 и/или поддона 26 для слива с участка 44 извлечения, прессованный шлак может быть вывален из шлаковой чаши 20 и/или извлеченный алюминий может быть выпущен или вылит из поддона 26 для слива.
Для перемещения шлаковой чаши 20 из положения в положение конвейерный агрегат 12 может взаимодействовать с каналами 32, 34 или другими частями шлаковой чаши 20 и/или поддона 26 для слива, чтобы продвигать шлаковые чаши 20 и поддоны 26 для слива. Например, конвейерный агрегат 12 может содержать выступающие вверх упоры 36, которые, после опускания шлаковой чаши 20 и поддона 26 для слива на конвейерный агрегат 12, входят в пазы 38 в днище поддона 26 для слива. Как вариант, упоры 36 могут входить в зацепление с боковыми стенками поддона 26 для слива. Днище шлаковой чаши 20 и верх поддона 26 для слива могут содержать позиционирующие приспособления с тем, чтобы шлаковая чаша 20 оставалась с поддоном 26 для слива при перемещении поддона 26 для слива в боковом направлении конвейерным агрегатом 12. Упоры 36 могут быть соединены с непрерывным элементом 40 конвейера, таким как, например, подвижная лента, рельс, сцепленный узел (цепь) и т.д., который продвигает приемные емкости 27 по различным положениям. В других вариантах осуществления могут применяться иные приспособления, чем упоры 36, в качестве средства сопряжения между элементом 40 конвейера и приемными емкостями 27.
В других вариантах осуществления конвейерный агрегат 12 содержит шаговый транспортер с любыми подходящими передвижными элементами, рычагами или приспособлениями для переноса приемных емкостей 27 между каждой парой смежных положений. В этом варианте осуществления один транспортер может продвигать приемные емкости 27 из положения постановки в положение перемешивания, другой транспортер может продвигать приемные емкости 27 из положения перемешивания в положение прессования, а третий транспортер может продвигать приемные емкости 27 из положения прессования в положение извлечения.
Как показано на фиг.2, на участке 42 постановки может быть несколько положений постановки для обеспечения возможности постановки нескольких приемных емкостей 27. Кроме того, на участке 44 извлечения может быть несколько положений извлечения.
Обрабатывающий агрегат 14 содержит кожух 46. Станция 16 перемешивания и станция 18 прессования заключены в этом кожухе 46. Размещение станции 16 перемешивания и станции 18 прессования в кожухе 46 способствует транспортировке приемных емкостей 27, способствует контролю за обработкой шлака, а также ограничивает выброс газов и пыли, которые могут выделяться при перемешивании и прессовании шлака. Газы и пыль могут откачиваться из кожуха 46 и перерабатываться, например, фильтром, циклонным пылеуловителем и/или любым другим подходящим оборудованием. В целях удобства, эти газы и пыль с обеих операций перемешивания и прессования могут откачиваться и перерабатываться вместе. В показанном варианте осуществления участок постановки и участок извлечения расположены вне этого кожуха. В одном варианте осуществления участок 42 постановки и/или участок 44 извлечения могут содержать укрытие для сбора газов и пыли до и/или после обработки шлака. В этом случае собранные на участках постановки и/или извлечения газы и пыль могут перерабатываться вместе с газом и пылью, собранными на станциях перемешивания и прессования.
Кожух 46 может содержать первую дверь 48, которую открывают, чтобы дать возможность приемной емкости 27 двигаться из положения постановки в положение перемешивания. Кожух 46 может также содержать вторую дверь 50, которую открывают, чтобы дать возможность приемной емкости 27 двигаться из положения прессования в положение извлечения. В ходе перемешивания и/или прессования шлака двери 48, 50 могут быть закрыты. В одном варианте осуществления открывание и закрывание дверей 48, 50 может быть скоординировано с перемещением приемных емкостей 27 конвейерной системой 12 и может быть осуществлено автоматизированным образом.
Как показано на иллюстрации фиг.1, приемная емкость 27а находится в положении постановки, приемная емкость 27b находится в положении перемешивания, приемная емкость 27с находится в положении прессования, а приемная емкость 27d находится в положении извлечения.
Станция 16 перемешивания содержит мешалку 52 (также называемую лопастью), которая перемешивает шлак в приемной емкости 27b, находящейся в положении перемешивания. С этой целью мешалка 52 соединена с валом 54, который приводится во вращение двигателем 56, таким как, например, электродвигатель или гидравлический двигатель. Вал 54 может опускаться и подниматься посредством позиционера 58 (например, пуансона). Более конкретно, вал 54 может вращаться и опускаться в полость 22 шлаковой чаши 20 так, чтобы мешалка 52 контактировала с шлаком и перемешивала его. В одном варианте осуществления мешалка 52 выполнена с возможностью соскребать шлак со стенок полости 22. Кроме того, мешалка 52 может содержать приспособления (например, ребра) для усиления перемешивания шлака. Перемешивание шлака способствует отделению жидкого алюминия от шлака. Жидкий алюминий, имеющий более высокую по сравнению с шлаком плотность, стремится перемещаться к отверстию 30, где он может стекать в полость 28 поддона 26 для слива. В одном варианте осуществления могут присутствовать несколько мешалок 52, которые вращаются в одном и том же направлении или вращаются навстречу друг другу. В одном варианте осуществления в шлак может быть добавлен флюс с целью содействия отделению алюминия от оксидов.
Возможно, что перемешивающее действие со временем может ухудшить мешалку 52. В связи с этим мешалка 52 может быть выполнена с возможностью отсоединения от станции 16 перемешивания и может быть заменена на новую мешалку 52.
Мешалка 52 механически взаимодействует с шлаком. Станция 16 перемешивания может основываться на дополнительных и/или альтернативных методах перемешивания шлака в шлаковой чаше 20. Примерным методом является механическая вибрация на одной или обеих из станции 16 перемешивания и станции 18 прессования для стимуляции течения жидкого алюминия через отверстие 30 в изложницу 26 для слитков.
В одном варианте осуществления в отверстии 30 может быть установлена временная пробка 60 до того, как шлак помещен в полость 22. Находясь на месте, эта пробка 60 препятствует вытеканию жидкого алюминия из полости 22 до и во время перемешивания. Это может быть полезно для уменьшения засорения отверстия 30, поддержания высокой температуры шлака и улучшения перемешивания за счет смазывания стенок полости 22 шлаком. В конце цикла перемешивания пробка 60 может быть пробита для обеспечения стекания жидкого алюминия. В других вариантах осуществления пробка 60 может быть пробита до окончания цикла перемешивания, например, во второй половине цикла перемешивания. Пробка 60 может быть пробита с помощью заостренного стержня 62. Этот заостренный стержень 62 может быть частью мешалки 52, которую в ходе перемешивания удерживают в положении над пробкой 60. Для пробивания пробки 60 мешалка 52 может быть опущена в положение пробивки, а затем поднята обратно в подходящее из положения перемешивания или полностью отведенного положения для обеспечения возможности транспортировки приемной емкости 27. В других вариантах осуществления заостренный стержень 62 является отдельным от мешалки 52 или расположен на второй мешалке, чтобы обеспечить первой мешалке возможность максимально приближаться к стенкам полости 22.
До и/или во время перемешивания можно отслеживать температуру шлака. Если шлак слишком холодный для адекватного перемешивания и отделения жидкого алюминия, то может быть добавлен экзотермический флюс. В другом варианте осуществления шлаковая чаша 20 может подогреваться и/или полость 22 может быть футерована огнеупором. В другом варианте осуществления может быть применен индуктивный нагреватель (не показан) для нагрева шлаковой чаши 20, в частности, на зоне сливного отверстия 30. Другие примерные источники тепла могут включать резистивные электронагреватели, источники теплоты горения и инфракрасное излучение. Нагрев шлаковой чаши 20, особенно у отверстия 30, даст возможность поддерживать алюминий в жидком состоянии с целью уменьшения возникновения преждевременного застывания алюминия для максимизации стекания алюминия из шлаковой чаши 20. Например, пока приемная емкость 27 находится в положении перемешивания, индуктивный нагреватель может быть приведен в положение рядом со шлаковой чашей 20 или в контакт с ней и включен для нагрева шлака. В других ситуациях, если шлак становится слишком горячим, то могут быть добавлены холодные оксиды. В качестве альтернативы, может быть введен инертный газ (например, аргон). Например, в положение над шлаковой чашей 20 может быть опущен колпак и между этим колпаком и шлаком может быть введен инертный газ.
Станция 18 прессования содержит прессующую головку 64, которая может опускаться для охлаждения и гашения термитного горения шлака. Поднимание и опускание прессующей головки 64 может производиться с помощью привода, такого как пуансон 66. Охлаждение и гашение шлака может быть реализовано за счет одного или более из приведения прессующей головки 64 в контакт с верхней кромкой шлаковой чаши 20; приведения части прессующей головки 64 в полость 22 до контакта со шлаком; и сжатия шлака прессующей головкой 64. Сжатие шлака может выдавливать жидкий алюминий из шлака и/или формировать кусок шлака. Образовавшиеся куски шлака могут быть обработаны в помощью процесса вторичной переработки, например методом дробления и классификации. В одном варианте осуществления прессующая головка 64 может охлаждаться или служить частью теплообменника, например, за счет пропускания текучей среды (например, воздуха, воды или масла) через эту головку. Прессующая головка 64 может иметь ребра, способствующие уплотнению и/или охлаждению шлака.
Примерный технологический процесс проходит следующим образом. На старте этого примера приемные емкости 27 находятся соответственно в положении постановки, положении перемешивания, положении прессования и положении извлечения и в тот момент времени, когда эти приемные емкости 27 готовы к перемещению в соответствующие следующие положения. Кроме того, будет предполагаться, что приемная емкость 27а в положении постановки была поставлена, в том числе была размещена в свое положение и полость 22 была заполнена горячим шлаком. Модификации процесса будут очевидны для таких ситуаций, как прерывистая переработка шлака, а также в начале или конце непрерывной переработки шлака. Операции этого технологического процесса могут быть автоматизированы, включая продвижение приемных емкостей через различные положения, открывание и закрывание дверей, перемешивание шлака и/или прессование шлака, вместе с другими связанными операциями, такими как пробивка пробки, нагревание или охлаждение шлака для перемешивания, и так далее.
Этот технологический процесс может начинаться с удаления приемной емкости 27d из положения извлечения, чтобы освободить это положение извлечения для приема другой приемной емкости, в это время находящейся в положении прессования. Следует заметить, что удаление приемной емкости 27d из положения извлечения может происходить до вышеуказанного момента времени. То есть, удаление приемной емкости 27d из положения извлечения может происходить в то время, когда обрабатывающий агрегат 14 перемешивает шлак в иной приемной емкости 27, расположенной на станции перемешивания, и прессует шлак в другой приемной емкости 27, расположенной на станции прессования.
Далее двери 48, 50 открывают. Затем конвейерный агрегат передвигает находящуюся в положении прессования приемную емкость 27 в положение извлечения, передвигает находящуюся в положении перемешивания приемную емкость 27 в положение прессования и передвигает находящуюся в положении постановки приемную емкость 27 в положение перемешивания. Передвижение приемных емкостей 27 может быть выполнено одновременно или же может быть выполнено по отдельности.
Далее двери 48, 50 закрывают. Затем используют станцию 16 перемешивания для осуществления перемешивания шлака в той приемной емкости 27, которая находится в положении перемешивания. Это перемешивание и, если применимо, пробивка пробки 60 могут быть осуществлены так, как описано выше. Одновременно с перемешиванием используют станцию 18 прессования для осуществления прессования шлака в той приемной емкости 27, которая находится в положении прессования. Это прессование может быть осуществлено так, как описано выше. В ходе перемешивания и прессования другая приемная емкость 27 может быть установлена в положении постановки. После циклов перемешивания и прессования мешалка и прессующая головка могут быть соответственно отведены от шлака. В этот момент технологический процесс может быть повторен.
В раскрытом технологическом процессе шлак перемешивают в одной приемной емкости, в то время как ранее перемешанный шлак из другой приемной емкости охлаждают с помощью станции 18 прессования. Кроме того, каждая приемная емкость может быть выведена из обрабатывающего агрегата 14 после завершения фазы прессования. В одном варианте осуществления цикл перемешивания и цикл прессования имеют одинаковую или приблизительно одинаковую длительность, такую как примерно 5 минут. Предпочтительно, цикл прессования достаточно длителен для гашения шлака. Возможно, что после прессования шлак все еще будет горячим, но при этом будет в сухом и не подвергающемся термитной реакции состоянии.
В другом варианте осуществления цикл прессования длится дольше цикла перемешивания, чтобы увеличить время охлаждения шлака. Если цикл прессования значительно длиннее цикла перемешивания (например, в два или более раза), то возможно, что может иметься более одной станции 18 прессования. В этом варианте осуществления конвейер может быть выполнен с возможностью, а технологический процесс может быть модифицирован для передвижения приемных емкостей 27 со станции 16 перемешивания на эти станции 18 прессования поочередно для максимизации пропускной способности за счет одновременного перемешивания шлака в одной приемной емкости при охлаждении шлака в более чем одной приемной емкости.
Управление различными стадиями процесса может осуществляться с помощью компьютерной системы, которая выполняет логические инструкции. Такая компьютерная система может принимать входные сигналы от различных датчиков (например, механических датчиков, световых завес и т.п.) и пользователей для управления процессом переработки шлака.
В другом варианте осуществления конвейерный агрегат 12 не должен вводить приемные емкости 27 в обрабатывающий агрегат 14 и/или не должен удалять эти приемные емкости 27 из обрабатывающего агрегата 14. В этом варианте осуществления по завершении перемешивания и прессования можно открыть одну единственную дверь, открывающую и станцию 16 перемешивания, и станцию 18 прессования. Находящаяся на станции 18 прессования приемная емкость 27 может быть удалена вручную (например, с помощью вилочного погрузчика), находящаяся на станции перемешивания приемная емкость 27 может быть автоматически передвинута со станции 16 перемешивания на станцию 18 прессования конвейерным агрегатом 12 (или вручную с помощью вилочного погрузчика), а другая приемная емкость 27 с необработанным шлаком может быть вручную помещена на станцию 16 перемешивания (например, вилочным погрузчиком). Затем дверь может быть закрыта и могут быть осуществлены операции перемешивания и прессования.
Хотя выше были показаны и описаны определенные варианты осуществления, понятно, что у других специалистов в данной области техники при чтении и понимании настоящего описания будут возникать эквиваленты и модификации, подпадающие под объем прилагаемой формулы изобретения.