СПОСОБ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОЛОМА
METHOD OF METAL SCRAP MELTING

Настоящее изобретение относится к повторному использованию (рециклингу) металла путем плавки металлолома.
Плавка металлолома представляет собой основной аспект металлургической промышленности.
Действительно, металлолом используют в качестве сырьевого материала для выплавки металла в черной металлургии и в металлургической промышленности цветных металлов по экономическим, техническим и экологическим соображениям.
Развитие индустриальной переработки металла весьма зависит от доступности металлолома.
Типичным примером в области металлургии цветных металлов является рециклинг алюминия.
Алюминий в настоящее время является наиболее широко перерабатываемым бывшим в употреблении металлом в мире.
Например, в Европе алюминий имеет высокие уровни повторного использования, варьирующие от 41% банок для напитков до 85% в секторе строительства зданий и сооружений, и вплоть до 95% в автомобильном секторе. Более того, промышленность постоянно инвестирует и проводит исследования, направленные на улучшения сбора и сортировки, чтобы достигнуть наилучших возможных уровней переработки.
Переработчики алюминия занимаются переплавкой широкого диапазона алюминиевого лома, приобретаемого как на местном рынке, так и по импорту.
Поскольку лом обычно составлен загрязненным материалом с переменным составом, для промышленной переплавки вторичного сырья, такой как промышленная переработка алюминиевого лома, требуется производственное оборудование, и в особенности плавильные печи, которые являются как мощными, так и технологически гибкими.
Ключевой проблемой промышленных печей для плавки металлолома является производительность обработки.
В частности, производительность обработки обусловливается следующими факторами:
- эффективность затрат времени: то есть скорость, с которой расплавляют данное количество металлолома,
- эффективность расходования энергии: то есть энергия, требуемая для расплавления данного количества металлолома, и
- эффективность извлечения металла: то есть отношение количества выпущенного расплавленного металла к количеству металлолома.
В технологии известно плавление металлолома в печи с помощью тепла, генерированного горением в воздушной атмосфере, то есть сжиганием топлива с воздухом в качестве окислителя. Такие плавильные процессы в основном обеспечивают низкую эффективность в плане затрат времени и энергии, но относительно высокую эффективность извлечения металла.
Также в технологии известно плавление металлолома в печи с помощью тепла, генерированного кислородно-топливным горением, то есть сжиганием топлива в кислороде или обогащенном кислородом воздухе в качестве окислителя, чтобы повысить эффективность затрат времени и энергии в процессе. Однако проблемой существующих способов с кислородно-топливным горением является то, что, как будет разъяснено ниже, тем самым снижается эффективность извлечения металла, в частности, вследствие усиленного окисления металла во время процесса плавления.
В статье «Burner Developments of the Messer Group for the Nonferrous Metallurgical Industry» («Разработки горелок компании Messer Group для металлургической промышленности цветных металлов») авторов M. Potesser и др. (BHM (Berg- und Hüttenmännische Monatshefte), том 153, год издания (2008), Выпуск 3, стр. 121-125), предложено применение сжигания с разбавлением или частичным разбавлением топочными газами в печах подового типа для металлолома при постоянной температуре на дальней стороне печей и для достижения допустимого низкого уровня выбросов загрязнителей.
Кроме того, было предложено регулирование мощности горелки во время процесса плавления, чтобы держать окисление металла под контролем настолько, насколько возможно, в случае кислородно-топливного горения, например, в зависимости от температуры в печи или огнеупорного материала, окружающего камеру сгорания.
Цель настоящего изобретения состоит в создании способа плавки металлолома с улучшенной общей производительностью процесса.
Способ плавки металлолома в печи согласно изобретению включает стадии, в которых:
загружают шихту твердого металлолома в печь,
подают в печь топливо и окислитель,
сжигают топливо с окислителем для генерирования тепла внутри печи,
расплавляют шихту твердого металлолома в печи посредством тепла, генерированного указанным горением, тем самым получая расплавленный металл, и
выпускают расплавленный металл, полученный плавкой шихты твердого металлолома, из печи.
После стадии, в которой загружают шихту твердого металлолома в печь, топливо сжигают с окислителем в первом режиме горения так, чтобы генерировать один или более видимых факелов пламени в печи над шихтой.
Однако перед стадией, в которой выпускают расплавленный металл из печи, топливо сжигают с окислителем во втором режиме горения так, чтобы создать беспламенное горение в печи над расплавленным металлом.
В соответствии с настоящим изобретением, окислитель имеет содержание кислорода по меньшей мере 60% по объему.
Беспламенное горение представляет собой режим горения, при котором, когда горелка и камера сгорания печи имеют надлежащую геометрическую форму, подачу окислителя и топлива выполняют по отдельности (для обеспечения исключительно постепенного горения) и с высокими скоростями подачи по меньшей мере одного реактанта, обычно окислителя, чтобы создать внутри камеры сгорания интенсивную внутреннюю рециркуляцию продуктов сгорания к горелке при температуре, равной температуре самовоспламенения топлива или превышающей ее. Затем пламя уже не может быть видимым невооруженным глазом, и горение распределяется по большому объему или даже по всему объему атмосферы в камере сгорания.
Горелки, пригодные для генерирования беспламенного горения, теперь имеются в продаже на рынке. Предпочтительные горелки, пригодные для беспламенного горения, описаны в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке США номер 61/363627, поданной 12 июля 2010 года, в находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке США номер 12/848131, поданной 31 июля 2010 года, и в находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке США номер 12/848132, поданной 31 июля 2010 года.
В данном контексте термин «горелка» использован для описания, вообще говоря, устройства или оборудования для объединения по меньшей мере одного топлива по меньшей мере с одним окислителем для сжигания указанного по меньшей мере одного топлива по меньшей мере с одним окислителем.
Способ согласно изобретению может представлять собой периодический процесс, сообразно чему твердый металлолом подают в печь одной загрузкой.
Способ согласно изобретению также может быть полупериодическим процессом, в котором расплавляемый твердый металлолом загружают в печь в несколько этапов, причем после каждого этапа подачи шихты твердого металлолома в печь следует сжигание топлива с окислителем в первом режиме горения, чтобы генерировать один или более видимых факелов пламени в печи над шихтой.
Фиг. 1-3 представляют схематические иллюстрации трех известных типов печей, применяемых для плавки металлолома, причем фиг. 1 представляет стационарную плавильную печь, фиг. 2 представляет вращающуюся барабанную плавильную печь, и фиг. 3 представляет наклоняемую печь.
Печь может представлять собой, например, стационарную плавильную печь.
Согласно одному конкретному варианту осуществления изобретения, печь представляет собой вращающуюся барабанную печь, имеющую по существу цилиндрическую огнеупорную стенку 21, первую торцевую стенку 22 на одном конце цилиндрической огнеупорной стенки 21, и вторую торцевую стенку 23 на противоположном конце цилиндрической огнеупорной стенки 21.
Согласно одному дополнительному варианту исполнения, печь может представлять собой наклоняемую печь, иногда также называемую вращающейся наклоняемой печью. Она представляет собой печь такого типа, которая может быть наклонена вокруг своей основной оси Х-Х для упрощения выливания расплавленной шихты. Такие печи часто имеют большую емкость, чем стационарные печи, причем некоторые из первых спроектированы на загрузку до 300 тонн. Наклоняемые печи обычно включают наклоняемый кожух 31, горелку 34, причем горелки или фурмы смонтированы в отверстии 33 для выливания и загрузки в указанном кожухе.
Для упрощения работы число видимых факелов пламени, генерированных в первом режиме горения, обычно будут выбирать настолько малым, насколько возможно, в то же время обеспечивая надлежащее покрытие шихты пламенем. Например, во вращающихся барабанных печах типично будут создавать одиночный видимый факел пламени в первом режиме горения с помощью горелки, смонтированной в первой или во второй торцевой стенке вращающейся печи, и в наклоняемых печах обычно будут генерировать одиночный видимый факел пламени в первом режиме горения с помощью горелки, размещенной в отверстии наклоняемого кожуха.
В первом режиме горения один или более видимых факелов пламени могут иметь фиксированную ориентацию. В альтернативном варианте ориентация по меньшей мере одного видимого факела пламени в первом режиме горения может варьироваться. Такая вариация ориентации видимого факела пламени может быть сделана ступенчатой, постепенной или представлять собой сочетание обеих. Вариацией ориентации видимого факела пламени можно увеличивать площадь покрытия шихты указанным факелом пламени, в то же время предотвращая местный перегрев указанной шихты. Предпочтительные способы и устройства для модифицирования ориентации видимого факела пламени описаны в более ранних патентных заявках заявителя WO-А-2008/003908, WO-А-2009092949 и WO-А-2009087227.
В первом режиме горения по меньшей мере один видимый факел пламени преимущественно направляют в сторону шихты. Когда в первом режиме горения генерируют более чем один видимый факел пламени, то предпочтительно каждый из одного или более видимых факелов пламени направляют в сторону шихты. При приближении видимого факела или факелов пламени к шихте улучшается теплопередача от пламени к шихте твердого металлолома. В некоторых случаях видимый факел пламени, направленный в сторону шихты, также может соприкасаться с шихтой. Однако в других случаях будет предпочтительным, чтобы видимый факел пламени, направленный в сторону шихты, не соприкасался с шихтой, в частности, чтобы предотвратить такие вредные явления, как перемещение твердых частиц шихты относительно стенок печи или локальное окисление металла.
Когда печь представляет собой вращающуюся барабанную печь, то теплопередача от пламени к шихте может быть улучшена не только направлением по меньшей мере одного факела пламени в сторону шихты, как описано выше. Теплопередача от пламени к шихте может быть также улучшена косвенно направлением факела пламени в сторону поворотной цилиндрической стенки 21, чтобы повысить температуру указанной цилиндрической стенки перед тем, как она передвинется под шихту. Поэтому, когда печь представляет собой вращающуюся барабанную печь, по меньшей мере один видимый факел пламени в первом режиме горения предпочтительно направляют в сторону шихты и/или в сторону цилиндрической огнеупорной стенки.
Для генерирования по меньшей мере одного видимого факела пламени в первом режиме горения и беспламенного горения во втором режиме горения могут быть использованы различные горелки.
Однако является предпочтительным применение одной и той же горелки для создания видимого факела пламени в первом режиме горения и беспламенного горения во втором режиме горения. Горелки, способные генерировать как видимый факел пламени, так и беспламенное горение, описаны в находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке США номер 61/363627, поданной 12 июля 2010 года, в находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке США номер 12/848131, поданной 31 июля 2010 года, и в находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке США номер 12/848132, поданной 31 июля 2010 года.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, горение во втором режиме горения перед стадией, в которой выпускают расплавленный металл, непосредственно следует за горением в первом режиме горения, следующем после стадии, в которой загружают шихту твердого металлолома.
Согласно иному варианту осуществления изобретения, способ включает переходный режим горения между первым и вторым режимами горения, сообразно чему во время переходного режима горения топливо сжигают с окислителем так, чтобы генерировать по меньшей мере один видимый факел пламени и повысить температуру по меньшей мере зоны в атмосфере печи, где в последующем втором режиме горения происходит беспламенное горение, до температуры, по меньшей мере равной температуре самовоспламенения топлива или превышающей ее.
Способ согласно настоящему изобретению в особенности применим для плавки лома цветных металлов. Однако способ также применим для плавки лома черных металлов/сплавов, в частности, в тех процессах плавки, где необходимо по существу избежать окисления металлолома.
Когда способ используют для плавки цветных металлов, металлолом преимущественно выбирают из группы, состоящей из алюминия, меди, цинка, свинца, никеля, кобальта, титана, хрома и драгоценных металлов, и сплавов этих металлов, и более предпочтительно выбирают из алюминия, меди, цинка, свинца, кобальта, титана, хрома и драгоценных металлов, и сплавов этих металлов. Способ в особенности интересен для плавки лома из алюминия и лома из сплавов алюминия.
Топливо может быть жидким топливом, таким как мазут или легкое дистиллятное топливо.
Топливо предпочтительно представляет собой газообразное топливо. Предпочтительные газообразные топлива выбирают из группы, состоящей из природного газа, пропана и бутана, и их смесей.
Как упомянуто выше, окислитель содержит по меньшей мере 60% по объему кислорода. Окислитель предпочтительно имеет содержание кислорода по меньшей мере 65% по объему, предпочтительно по меньшей мере 80% по объему и более предпочтительно по меньшей мере 90% по объему.
Момент времени, в который, во время процесса плавления, прекращается горение топлива в первом режиме горения после стадии, в которой загружают шихту твердого металлолома, и начинается горение топлива во втором режиме горения или в переходном режиме горения, если это может иметь место, может быть определен несколькими путями, чтобы оптимизировать производительность процесса в результате достижения оптимизированной комбинации эффективности затрат времени, эффективности расходования энергии и эффективности извлечения металла.
Например, как указано выше, в технологии известно проведение процесса плавки лома в печи как полупериодического процесса, в котором расплавляемый твердый металлолом подают в печь в несколько этапов, причем после каждого этапа подачи шихты твердого металлолома в печь следует сжигание топлива с окислителем в первом режиме горения, чтобы генерировать один или более видимых факелов пламени в печи над шихтой. Промежуток времени между конечным этапом загрузки твердого металлолома в печь и переключением с горения топлива в первом режиме горения на горение топлива в переходном или во втором режиме горения может соответствовать промежутку времени между двумя последовательными этапами подачи твердого металлолома в печь и может основываться на тех же критериях, таких как температура, характеристики топочных газов или оптическое детектирование, обычно отражающих степень завершения плавления указанного лома.
В основном, переключение с горения топлива в первом режиме горения на горение топлива в переходном или во втором режиме горения может быть определено как функция температуры огнеупорного материала в зоне печи, где происходит горение. В частности, горение топлива может быть переведено с первого режима горения на переходный или второй режим горения, когда температура огнеупорного материала превышает предварительно заданный предел.
Также можно переключать горение топлива с первого режима горения на переходный или второй режим горения в зависимости от температуры внутри печи, как функции температуры расплавленного металла в печи или как функции температуры топочных газов, выходящих из печи.
Также можно измерять концентрацию определенных компонентов, таких как кислород, в атмосфере печи и в зависимости от этого регулировать переключение горения топлива в первом режиме горения на горение топлива в переходном или во втором режиме горения.
Подобным образом, указанное переключение может управляться в зависимости от различных измеренных характеристик топочных газов, когда они покидают печь, таких как температура, концентрация кислорода, концентрация углеводородов, концентрация СО и подобное. Подходящий метод детектирования различных характеристик топочных газов, выходящих из печи для плавки алюминия, описан, например, в патентном документе WO-А-03056044 настоящего заявителя.
Дополнительной возможностью является определение степени, до которой шихта твердого металлолома в печи расплавилась, оптическими средствами, такими как визуальное наблюдение в инфракрасном или оптическом диапазоне.
Естественно, когда характеристики печи и металлолома хорошо известны, обычно в результате многократных наблюдений, то оператор печи может знать приблизительную оптимальную продолжительность горения топлива в первом режиме горения или приблизительное оптимальное количество энергии (например, измеренное в плане потребления топлива или кислорода), подведенное во время указанного горения в первом режиме горения, для данной шихты металлолома. В этом случае оператор может автоматически переключить с горения в первом режиме горения на горение в переходном или во втором режиме горения, после истечения указанной оптимальной продолжительности или после того, как было подведено указанное оптимальное количество энергии.
Дополнительная интересная возможность существует в случае вращающихся барабанных печей. Действительно, вязкость расплавленного металла варьирует в зависимости от его температуры. Поэтому крутящий момент на валу привода, необходимый для вращения барабана, является прямым показателем температуры расплавленного металла, при учете количества расплавленного металла и природы (состава) металла или сплава в печи. Поэтому можно производить переключение с горения в первом режиме горения на горение в переходном режиме горения или во втором режиме горения, когда крутящий момент на валу привода, необходимый для вращения роторно-поворотного барабана, достигает или становится меньше предварительно заданного нижнего предела, выбранного сообразно природе и количеству присутствующего расплавленного металла.
Для повышения надежности указанного регулирования могут быть скомбинированы несколько из вышеуказанных критериев.
Согласно одному варианту исполнения способа, переключение с горения топлива в первом режиме горения на горение топлива в переходном режиме горения или во втором режиме горения, если это может быть уместным, происходит, когда по существу весь твердый металлолом расплавился.
В альтернативном варианте, чтобы повысить эффективность извлечения металла, переключение может быть выполнено незадолго до достижения указанного этапа, то есть, на этапе процесса, в котором основная часть твердого металлолома расплавилась, но в котором все еще имеется существенное количество твердого металлолома, присутствующего в печи.
Тем самым настоящее изобретение представляет способ плавки металлолома с улучшенной производительностью обработки.
Эффективность расходования энергии прежде всего повышается в результате применения окислителя, имеющего более высокую концентрацию кислорода, чем в воздухе. Этим путем снижают концентрацию инертного газа или балластного газа в окислителе, что, в свою очередь, ведет к повышению эффективности расхода энергии в процессе горения.
После стадии, в которой загружают шихту твердого металлолома, способ выигрывает на эффективности расходования времени и энергии, достижимой благодаря нагреву и плавлению твердого металлолома одним или более видимыми факелами пламени, причем видимые факелы пламени типично представляют собой факелы высокотемпературного пламени.
Однако, когда проводят плавку твердого металлолома при высокой эффективности расходования времени и энергии с использованием одного или более видимых факелов пламени, в частности, когда указанные видимые факелы пламени генерируют сжиганием топлива с окислителем, который обогащен кислородом, до сих пор неизбежным следствием этого оказывалась потеря металла и, поэтому, сниженная эффективность извлечения металла.
В случае плавки алюминиевого лома, например, потери во время плавления и литья обусловливаются главным образом образованием окалины, смеси оксида и расплава. Даже если часть оксида алюминия может быть извлечена и использована во вторичной плавке стали для раскисления шлака, сейчас цена потери металла на окалину становится неприемлемо высокой, так как обусловливает соответствующую нагрузку на окружающую среду.
Кроме того, оксид алюминия быстро образуется на поверхности расплавленного алюминия, когда температура указанного расплава достигает 750ºС. Этот слой оксида алюминия формирует высокоэффективный тепловой барьер, укрывающий расплавленный алюминий, так что образование окалины не только снижает эффективность извлечения металла, но и эффективность расходования энергии и поэтому эффективность затрат времени в процессе плавления.
Было обнаружено, что проблема образования окалины является более значительной в процессе плавления с использованием кислородно-топливного горения, чем в процессе плавления с использованием горения в воздушной атмосфере.
В случае вращающихся барабанных плавильных печей, дополнительным аспектом проблемы является образование слоя окалины на огнеупорной цилиндрической стенке печи. Этот слой окалины опять же составляет тепловой барьер между теплом, которое генерируется горением топлива, и огнеупорными стенками, и препятствует достижению указанной цилиндрической стенкой достаточно высокой температуры, что опять же оказывает вредное влияние на эффективность расходования энергии и времени в процессе плавления. Кроме того, было обнаружено, что эта проблема значительно усугубляется в случае обогащенного кислородом окислителя, тем самым по меньшей мере частично нейтрализуя преимущества плавки с помощью кислородно-топливного горения.
Известно ограничение потери металла вследствие окисления путем добавления солей к шихте или в расплавленный металл. Однако применение таких солей само по себе обусловливает значительные затраты для предприятия по плавке металлолома, которые частично или даже полностью сводят на нет достигнутую эффективность извлечения металла. Кроме того, применение таких солей само по себе может создавать дополнительные экологические проблемы.
Неожиданно было найдено, что, в соответствии с настоящим изобретением, окисление металла может быть ограничено с достижением высокой эффективности затрат времени и эффективности расходования энергии при сочетании (а) быстрого плавления при горении в первом режиме горения с созданием окислительного пламени с излучательной и конвективной теплопередачей, направленного в сторону шихты, и, (b) когда шихта становится частично или полностью расплавленной, беспламенного горения в соответствии со вторым режимом горения.
Теоретически, эффективность извлечения металла была бы оптимизирована при работе во втором режиме горения для поддержания температуры печи лишь слегка выше температуры затвердевания металла, и/или при регулировании подачи кислорода в печь так, чтобы избежать образования по большей части окислительной атмосферы над расплавленным металлом в контакте с ним. Однако на практике, чтобы обеспечить то, что металл находится полностью в расплавленном состоянии и является достаточно однородным, и чтобы компенсировать потерю тепла во время транспорта расплавленного металла из печи в формовочную установку или в раздаточную печь, когда процесс проводят во втором режиме горения, температуру печи поддерживают на несколько более высоком уровне.
Температура печи или расплавленного металла в печи, согласно которой переключают горение в первом режиме горения на горение в переходном или во втором режиме горения, может быть измерена с помощью термопар, размещенных в нескольких пунктах, таких как: в дверце печи, через которую в печь загружают твердый металлолом, в протоке для выходящих из печи топочных газов, и/или в огнеупорной футеровке печи. Измерения в этих местах дают достоверную информацию о состоянии шихты в печи. Возможны другие показатели, такие как крутящий момент на валу привода в случае вращающейся печи, и измерение температуры горячей поверхности огнеупорной футеровки внутри печи с помощью оптического инфракрасного пирометра «с лазерным наведением», позволяющие установить температуру металла.
Плавление металла из твердого металлолома до расплавленного металла главным образом достигается сжиганием топлива в первом режиме горения, пока расплавленный металл не достигнет предварительно заданной максимальной температуры, в зависимости от типа расплавляемого металла или сплава.
Когда шихта в основном или полностью находится в форме расплавленного металла, шихту нагревают сжиганием топлива во втором режиме горения для обеспечения того, что плавление полностью завершено, и для достижения и поддержания достаточного уровня однородности расплавленного металла до тех пор, когда расплавленный металл выпускают из печи. Во время этого периода шихту поддерживают в жидкой фазе при температуре, которая также зависит от типа металла или сплава.
Кроме того, указанная температура может быть выбрана так, чтобы компенсировать потери теплоты металла во время транспортировки расплавленного металла из печи в формовочную установку или в раздаточную печь.
Преимущества настоящего изобретения далее сделаны очевидными в нижеследующем примере.
Твердый алюминиевый лом в форме вторичного сырья из банок для напитков загружают во вращающуюся барабанную печь тремя последовательными этапами загрузки.
После каждого этапа подачи загрузки твердого алюминиевого лома в печь сжигают топливо с окислителем с помощью горелки, размещенной на торцевой стенке печи так, чтобы сформировать одиночный длинный факел пламени из кислорода и природного газа в печи над шихтой, причем направление указанного факела пламени варьируют, как описано в патентном документе WO-А-2009087227.
Когда температура расплавленного металла достигает примерно 620°С, как определяют по крутящему моменту на валу привода, необходимому для вращения печи, в печь подают новую загрузку твердого алюминиевого лома, тем самым снижая температуру внутри печи и расплавленного металла, после чего опять сжигают топливо, чтобы генерировать одиночный длинный факел пламени из кислорода и природного газа с переменным направлением в печи над шихтой.
Когда после подачи третьей загрузки твердого алюминиевого лома температура расплава опять достигла примерно 620°С, горение топлива переключают на переходный режим, причем одиночный видимый факел пламени теперь направляют по существу вдоль оси вращающегося барабана, пока температура атмосферы печи не превысит температуру самовоспламенения природного газа.
После этого горение топлива переключают из переходного режима на второй режим горения, чтобы генерировать беспламенное горение над расплавленным алюминием в атмосфере печи, без значительного избытка кислорода. Этим путем расплавленный алюминий нагревают и затем поддерживают при температуре около 720°С до тех пор, пока его не выпустят из печи для последующего литья.
Никакой соли для сокращения образования окалины не добавляли.
Эффективность расхода энергии и времени процесса, выполняемого согласно настоящему изобретению, была найдена иногда лучшей или по меньшей мере эквивалентной эффективности затрат энергии и времени в соответствующих известных процессах кислородно-топливного горения. В то же время эффективность извлечения металла была эквивалентной и иногда лучшей, чем полученная в соответствующих процессах плавления с горением в воздушной атмосфере без введения солей.
Поэтому настоящее изобретение представляет основное преимущество в обеспечении повышения совокупной производительности обработки в сравнении как с известными процессами горения топлива в воздушной атмосфере, так и известными процессами кислородно-топливного горения.