СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЯ ОТ ПРИМЕСЕЙ И ПЕЧЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
CLEANING METHOD OF ALUMINIUM REJECTS FROM IMPURITIES, AND FURNACE FOR METHOD'S IMPLEMENTATION

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для очистки отходов от примесей. Очищенный алюминий может быть использован для получения различных сплавов на основе алюминия, изготовления различных изделий, в процессе раскисления стали в мартеновских печах, в процессе антикоррозионного покрытия стального проката.
Известен способ очистки алюминия от оксидов примесных металлов, выбранный в качестве прототипа, включающий плавление алюминия в расплаве смеси солей натрия хлористого, натрия фтористого и калия хлористого, содержащей 5-7 мас.% натрия тетраборнокислого, при температуре 750-850°C. Расплав солей имеет состав, мас.%:
натрий хлористый - 63,
натрий фтористый - 25,
калий хлористый - 12.
(Патент РФ №2305712, Бюл. №25, 10.03.2007)
Недостатками известного способа являются:
- при профилактическом ремонте печи расплавы солей и алюминия необходимо сливать из печи в изложницы;
- при пуске печи в эксплуатацию необходимо наплавлять в тигель печи алюминий и смесь солей;
- необходимо очищать клеть после выплавки алюминия от расплава смеси солей и твердых примесей;
- необходимо улавливать пары солей фильтрами;
- сложное и дорогостоящее аппаратурное оформление.
Известен способ рафинирования алюминия и сплавов на его основе, включающий обработку непрерывного потока расплава флюсами, содержащими хлориды и фториды щелочных металлов при одновременном его перемешивании мешалкой и отделении металла от продуктов реакции. В состав флюса вводят фторсоли титана и бора в соотношении к хлоридам и фторидам щелочных металлов 7-9:3-1, при этом расплав перемешивают со скоростью в 20-30 раз больше скорости потока металла, а флюс вводят в вихревую воронку, образованную мешалкой при ее глубине, равной 0,3-0,4 глубины погружения мешалки в расплав (Патент РФ №2112065, опубликован 27.05.1998).
Недостатками известного способа являются:
- невозможность очистить алюминий и сплавы на основе алюминия, содержащие оксиды примесных металлов;
- сложность аппаратурного оформления;
- значительные затраты на реактивы, необходимые для рафинирования алюминия и сплавов на его основе.
Задачами предлагаемого способа очистки отходов алюминия от примесей являются упрощение технологического процесса очистки алюминия, снижение затрат на реактивы, используемые в процессе очистки отходов алюминия, уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат при внедрении способа очистки отходов алюминия в производство и печи для осуществления способа.
Решение указанных задач достигается тем, что плавление отходов алюминия осуществляют в инертной среде при температуре 880-900°С в присутствии тетраборнокислого натрия и ангидрида борной кислоты.
2
4
7
2
В начале процесса очистки отхода алюминия в тигель печи загружают 10-15 мас.% буры (NaBO·10HO) от предполагаемой к загрузке в печь массы отходов алюминия и борную кислоту, массу которой рассчитывают по формуле:
,
H3BO3
где m - масса борной кислоты, загружаемая в печь, кг;
отх.
m - масса отходов алюминия, загружаемых в печь, кг;
X - содержание оксида алюминия в отходе алюминия, мас.%.
Затем загружают в печь отходы алюминия с таким расчетом, чтобы расплав их имел высоту, равную 800-1000 мм. Тигель печи закрывают крышкой, в печь подают азот. Включают в работу газовые тупиковые горелки. При достижении в тигле печи температуры 400°C начнется процесс термического разложения буры и борной кислоты по схеме реакции:
пл.
пл.
Таким образом, на дне печи образуется смесь тетраборнокислого натрия и борного ангидрида. При достижении температуры 880-900°C произойдет расплавление отхода алюминия, борного ангидрида (t=577°C), тетраборнокислого натрия (t=878°C).
3
3
3
2
4
7
2
3
Так как удельная масса борного ангидрида (d=1,844 г/см) и тетраборнокислого натрия (d=2,37 г/см) меньше удельной массы алюминия (d=2,70 г/см), то произойдет медленный подъем слоя расплава смеси тетраборнокислого натрия и борного ангидрида в расплаве отхода алюминия вверх. Во время подъема слоя расплава NaBO и BO будут происходить следующие реакции:
2
3
Образующиеся метаборнокислые соли алюминия [Al(BO)] и другие частицы твердых примесей будут вынесены вязким слоем тетраборнокислого натрия на поверхность расплава алюминия. При достижении в печи температуры 880-900°C расплав алюминия выдерживают в течение 45 минут для того, чтобы произошла полная очистка алюминия от оксида алюминия и других твердых примесных включений, а также, чтобы интерметаллические соединения примесных тяжелых металлов (Fe, Cu) смогли осесть на дно тигля печи.
В конце выдержки расплава алюминия в течение 45 минут при температуре 880-900°C с поверхности расплава тетраборнокислого натрия с помощью черпака убирают твердые частицы (агрегаты). После этого температуру расплава алюминия снижают до 680-700°C. При данной температуре слой расплава тетраборнокислого натрия на поверхности алюминия постепенно затвердеет. При температуре 680-700°C производят слив очищенного алюминия в изложницы через верхнюю летку, расположенную на высоте 100 мм от дна тигля печи, затем слив расплава алюминия, загрязненного интерметаллическими соединениями алюминия с примесными металлами (Fe, Cu) через нижнюю летку, расположенную на уровне дна тигля печи, в изложницы.
Для осуществления способа очистки отходов алюминия используют печь специальной конструкции, представленной на чертеже.
Печь включает в себя следующие элементы:
- кожух печи (поз.1);
- футеровка печи из огнеупорного кирпича (поз.2);
- камеры для установки газовых тупиковых горелок (поз.3);
- тигель печи, выложенный из огнеупорного кирпича (поз.4);
- крышка тигля, выполненная из жаропрочной стали, имеющей прокладку из огнеупорного материала (поз.5);
- кольца для съема и установки крышки тигля (поз.6);
- каналы для сообщения тигля с камерами (поз.7);
- нижняя летка, расположенная на уровне дна тигля печи (поз.8);
- верхняя летка, расположенная на высоте 100 мм от дна тигля печи (поз.9);
- газовые тупиковые горелки (поз.10);
- штуцер для подачи природного газа в тупиковую горелку (поз.11);
- штуцер для подачи воздуха в газовую тупиковую горелку (поз.12);
- патрубок для удаления из газовой тупиковой горелки продуктов горения природного газа (поз.13).
Летки печи имеют конусообразные регулировочные устройства для уменьшения или увеличения потока расплава алюминия в изложницы. Осуществление процесса очистки отходов алюминия производят следующим образом. На дно тигля печи загружают буру из расчета 10-15 мас.% от предполагаемого к загрузке в печь отхода алюминия. Затем в тигель печи загружают борную кислоту, массу которой рассчитывают по ранее приведенной формуле (1).
После этого в печь загружают отход алюминия, масса которого позволяет в данном тигле образовать расплав высотой 800-1000 мм. Предварительно массу отходов алюминия, загружаемую в тигель печи, можно рассчитать по формуле:
отх
1
2
3
2
2
m=0,785·H·2.7 [D +n(D-D)], где
отх
m - масса отходов алюминия, предназначенная для загрузки в тигель печи;
0,785 - коэффициент, соответствующий значению π:4;
H - высота расплава алюминия, м;
3
2,7 - удельная масса алюминия, т/м;
1
D - диаметр тигля, м;
2
D - диаметр камеры, м;
3
D - диаметр кожуха тупиковой горелки, м;
n - количество камер, шт.
После загрузки отхода алюминия в тигель печи в него подают поток азота, устанавливают крышку тигля и включают тупиковую горелку в работу. На пульте автоматического управления работой горелок устанавливают температуру 880-900°C в тигле печи. Наличие окон в тигле печи, соединяющих его с камерами, обеспечивается интенсивная теплопередача от газовых тупиковых горелок к загруженному в тигель печи отходу алюминия, а это способствует уменьшению времени до достижения заданной температуры в тигле печи. При достижении заданной температуры расплав выдерживают в течение 45 минут при данной температуре. При окончании времени выдержки расплава алюминия крышку снимают с тигля печи, твердые агрегаты метаборнокислого алюминия и других примесных твердых частиц убирают с поверхности расплава алюминия черпаком, выполненным в виде сетки из жаропрочной стали. Крышку закрывают, температуру в тигле печи задают равной 680-700°C. После достижения заданной температуры производят слив очищенного алюминия через верхнюю летку в изложницы. При этом затвердевший слой расплава тетраборнокислого натрия опускается вниз тигля печи вместе с расплавом алюминия. После слива расплава алюминия через верхнюю летку (поз.9) в изложницы открывают нижнюю летку (поз.8) и сливают в изложницы алюминий, содержащий примесные металлы в виде интерметаллических соединений или истинных растворов.
После полного слива расплава алюминия из тигля печи и камер на дне тигля остается твердый тетраборнокислый натрий, который в процессе очистки отходов алюминия восстанавливается благодаря реакции (2) и не расходуется на очистку алюминия.
Тупиковые горелки выключают, прекращают подачу азота в тигель печи, герметично закрывают летки. Для следующей операции очистки в тигель печи загружают борную кислоту и отход алюминия. Процесс очистки отхода алюминия осуществляют также, как было описано выше.
Совокупность признаков заявляемого технического решения - способа очистки алюминия и печи для осуществления способа - имеют отличия от прототипа и не следуют явным образом из изученного уровня техники, поэтому авторы считают, что способ и печь являются новыми и имеют изобретательский уровень. Способ очистки отходов алюминия от примесей и печь для осуществления способа позволяют получать из отходов алюминия чистый алюминий, сократить капитальные затраты на стадии внедрения в производство и уменьшить эксплуатационные затраты.
Результаты технологического процесса предлагаемого способа очистки отходов алюминия от примесей и печь для осуществления способа представлены в таблице 1.
Состав отходов алюминия, мас.%:
Алюминий металлический - 97,6%;
Суммарные примеси (оксид алюминия, интерметаллические соединения) - 2,4.
Таблица 1
№№ опытов
Наименование параметров процесса
Ед. измерения
Значение параметра
Результаты технологического процесса
1.
Загружено в печь буры (Na<sub>2</sub>B<sub>4</sub>O<sub>7</sub>·10H<sub>2</sub>O)
кг
7,0
Получено очищенного алюминия - 20,86
Загружено в печь борнойкислоты (H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>)
кг
0,89
Суммарная масса примесей в очищенном алюминии - 0,12%
Загружено отхода алюминия в печь
кг
24,4
Температура расплава отхода алюминия
°C
880
Получено алюминия, содержащего примеси тяжелых металлов, - 3,17 кг
Время отстоя расплава отхода алюминия в печи
мин
45
Температура расплава алюминия во время его слива в изложницы
°C
680
Суммарная масса примесей тяжелых металлов - 6,0%
Достигнутая высота расплава алюминия в тигле печи
м
0,8
2.
Загружено в печь борнойкислоты (H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>)
кг
1,1
Получено очищенного алюминия - 26,8
Загружено отхода алюминия в печь
кг
30,5
Суммарная масса примесей в очищенном алюминии - 0,11%
Температура расплава отхода алюминия
°C
880
Время выдержки в печи расплава
мин
45
Получено алюминия, загрязненного примесями тяжелых металлов, - 3,22 кг
Температура расплава алюминия во время его слива в изложницы
°C
680
Высота расплава алюминия
м
1,0
Суммарная масса примесей тяжелых металлов - 7,4%
3.
Загружено в печь борной кислоты (H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>)
кг
1,1
Получено очищенного алюминия - 26,7
Загружено отхода алюминия в печь
кг
30,5
Суммарная масса примесей в очищенном алюминии - 0,10%
Температура расплава отхода алюминия
°C
900
Время выдержки в печи расплава
мин
45
Получено алюминия, загрязненного примесями тяжелых металлов, - 3,22 кг
Температура расплава алюминия во время его слива в изложницы
°C
680
Суммарная масса примесей тяжелых металлов - 7,5%
Высота расплава алюминия
м
1,0
4.
Загружено в печь борной кислоты (H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>)
кг
1,1
Получено очищенного алюминия - 26,84
Загружено отхода алюминия в печь
кг
30,5
Суммарная масса примесей в очищенном алюминии - 0,17%
Температура расплава отхода алюминия
°C
880
Время выдержки в печи расплава
мин
30
Получено алюминия, загрязненного примесями тяжелых металлов, - 3,2 кг
Температура расплава алюминия во время его слива в изложницы
°C
680
Суммарная масса примесей тяжелых металлов - 6,9%
Высота расплава алюминия
м
1,0
5.
Загружено в печь борной кислоты (H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>)
кг
1,1
Получено очищенного алюминия - 26,8
Загружено отхода алюминия в печь
кг
30,5
Суммарная масса примесей в очищенном алюминии - 0,10%
Температура расплава отхода алюминия
°C
880
Получено алюминия, загрязненного примесями тяжелых металлов, - 3,22 кг
Время выдержки в печи расплава
мин
60
Температура расплава алюминия во время его слива в изложницы
°C
680
Суммарная масса примесей тяжелых металлов - 7,57%
Высота расплава алюминия
м
1,0
Таким образом, использование предлагаемого способа очистки отходов алюминия от примесей и печь для осуществления способа позволяют выполнить поставленные задачи и получить положительные результаты.