§4. Восстановление алюминия из дроссов в алюминиевой промышленности

Дросс - это основной побочный продукт всех технологических процес­сов производства алюминия. Он образуется на поверхности жидкого металла при взаимодействии с печной атмосферой.

В зависимости от технологии до 5 % расплавленного металла превраща­ется в дросс. Первоначальный шлак может содержать в себе 75 % чистого алюминия, и содержание алюминия в дроссе зависит от вида расплавляемого металла (чушки или лом). Он может также содержать тяжелые металлы (сви­нец, кадмий, хром).

Алюминий в дроссе обычно восстанавливают во вращающихся печах, работающих на жидком или газообразном топливе. Для увеличения количест­ва восстановленного алюминия в загрузку добавляются различные соли. В ре­зультате эта технология производит вторичный дросс, содержащий окись алюминия и соли в виде примесей.

Дросс, произведенный в результате плавления чистого алюминия, извес­тен как белый дросс, а дросс, содержащий примеси в виде солей и других ме­таллов, называют черным дроссом.

Были испытаны плазменная и дуговая технологии для разработки высо­котемпературных процессов без использования солей при переработке белого дросса - процессов, необходимых для преобразования черного дросса в про­дукт для продажи или захоронения. Назначение технологии заключается в пе­реработке различного рода белого дросса для восстановления металла и пере­вода неорганической части в нетоксичную продукцию.

Предварительно технология испытывалась на вращающейся печи с плаз­мотроном мощностью 150 кВт в 1987 году в LTEE (Laboratorie de Technologies Electrochimiques et des Electrotecnologies, Hydro-Quebec). Затем была создана опытная установка с плазмотроном мощностью 1 МВт (1988 год) и технологию перевели на завод ALCAN (Канада), производящий 15 ООО т алюминия в год.

Опытная установка вращающейся печи имеет емкость 3 т с опрокиды­вающимся загрузочным люком диаметром 1 м. Плазмотрон мощностью 1 МВт смонтирован в люке печи. Герметичный люк печи и дымовая труба, примы­кающая к рукавному фильтру, поддерживают незначительное избыточное дав­ление в печи.

Расплавленный металл выпускается через отверстие в стенке печи. Окси­ды в дроссе образуют сероватый порошок и удаляются наклоном печи вперед во время ее медленного вращения. Неметаллический продукт (шлак) является нетоксичным и может быть захоронен на свалке или использован в известных промышленных технологиях.

Во время эксплуатации этой опытной печи было переработано 400 т шлака с плавильных печей ALCAN и цехов Канады, США и Европы. Содер­жание металла в дроссе составляло от 10 до 80 %. Были опробованы плавки с азотом и воздухом в качестве технологических плазмообразующих газов.

§5. Переработка химически активных и тугоплавких металлов

Химически активные и тугоплавкие металлы в расплавленном состоянии окисляются очень быстро. Это обстоятельство делает их получение гораздо более сложным, чем производство стали и меди.

К группе химически активных металлов относятся титан, цирконий и гафний. Эти металлы отнимают кислород почти у любой огнеупорной керами­ки во время плавки. Поэтому они обычно плавятся в печах с гарнисажем.

Большая часть титана используется в авиационной промышленности и в производстве высоких технологий. При этом только 30 % чистого металла переходит в готовую продукцию. Оставшаяся часть попадает в отходы и их необходимо перерабатывать, чтобы производство титана стало конкуренто­способным относительно других металлов - подобно никелю и высококачест­венным сплавам.

При плавке титана водоохлаждаемый медный тигель используется как контейнер для расплавленного металла. Застывший слой или гарнисаж рас­плавляемого сплава отделяет расплавленный металл от медного тигля. Таким образом, отсутствует загрязнение металла, который плавится, т.е. отсутствуют реакции с медью на расплавленной поверхности. Это последнее обстоятельство можно гарантировать, если весь воздух откачивается из печи (уровень давления обычно ниже 10~³ мм рт. ст.) или используемый газ при контактировании не реагирует с металлом (почти всегда аргон, гелий или аргоногелиевая смесь).

К тугоплавким, металлам относятся ниобий (температура плавления 2468), молибден (2671), тантал (2996) и вольфрам (3410 °С). Эти металлы тре­буют особого внимания во время плавки вследствие большой их склонности к окислению.

Плавка электронным лучом химически активных и тугоплавких металлов применяется на практике более 50 лет. Причиной ограниченного использова­ния процесса восстановительной плавки химически активных металлов из скрапа сплавов электронным лучом являются разные степени испарения раз­личных элементов, способные привести к отклонениям от требуемого состава металла.

Только в 1981 году компанией Retech была установлена первая промыш­ленная печь на Frankel Titanium в Комптоне (штат Калифорния, США), в кото­рой используется электродуговой плазмотрон прямого действия с вихревой стабилизацией дуги и медным трубчатым электродом - анодом (рис. 14.24).

Рис. 14.24. Плавильный плазмотрон с полым анодом и закрученным потоком газа

Определенный уровень кислорода требуется в сплавах титана в качестве закрепителя, оптимальный уровень его в слитке составляет около 0,17 %. Го­товые детали содержат обычно 0,18 % кислорода, а крошка, полученная при изготовлении этих деталей, имеет несколько больший уровень. Во время пере­работки расплава титана необходимо добавлять компоненты с небольшим со­держанием кислорода, чтобы довести его до допустимого уровня. Этот про­цесс называется демеркаптанизацией (sweetening).

На Frankel Titanium использовали свои плазменные печи для того, чтобы отдельно восстанавливать скрап сплава титана и циркония. Этот скрап поме­щался в длинную прямоугольную литейную форму вместе с первичным мате­риалом для демеркаптанизации и выплавления в электрода для последующей

VAR-плавки (вакуумная плавка с расходуемым электродом). Существенное преимущество этого процесса заключается в том, что после плазменной плав­ки почти не обнаруживается изменений в структуре сплава.

Вторая плазменная печь для получения титанового сплава была смонти­рована в корпорации Oregon Metallurgical в конце 1983 года и стала использо­ваться для производства круглых монолитных слитков диаметром от 350 до 700 мм. Четырехступенчатый вытягивающий цилиндр кристаллизатора спосо­бен вытягивать слитки длиной 4,7 м. На этой печи были переработаны многие тысячи тонн скрапа.

Промышленная эксплуатация плазменных печей показала, что скорость плавления титана существенно выше с использованием гелия в качестве плаз­мообразующего газа, чем при работе на аргоне. Это обстоятельство не только повлияло на экономику плавки титана, но и показало возможность плавки плазмой других тугоплавких металлов.

Слиток титана, используемый в авиационной промышленности, подвер­гается механической обработке, чтобы сделать требуемую деталь как можно надежнее.

Скрап химически активных металлов часто загрязнен мелкими частица­ми режущей кромки инструмента металлорежущего станка (включениями вы­сокой плотности) или оксидами и нитридами металла в результате контакта воздуха с горячим сплавом (включениями низкой плотности). Поскольку лю­бое включение примеси такого типа может явиться причиной возникновения трещины, то очень важно устранить оба этих включения.

Опыт показывает, что плазменная плавка весьма эффективна в удалении включений низкой плотности. Однако некоторые из этих включений, не обна­руженные при контроле, могут объединяться в процессе застывания слитка. Поскольку требования к титановым сплавам в авиакосмических применениях заключаются в первую очередь в надежности конструкций, компания Retech продемонстрировала усовершенствование технологии плазменной плавки в 1986 году.

В двухплазмотронной печи загружаемый материал плавился в медной ванне, имевшей приподнятый сливной носок, через который расплавленный титан перетекал в медный тигель (кристаллизатор), нагреваемый вторым плазмотроном (рис. 14.25). Скрап, загрязненный включениями высокой и низ­кой плотности, восстанавливался в высококачественные слитки. Включений не было обнаружено.

Представленный рис. 14.25 служит схематичным чертежом первой плаз­менной печи с ванной расплава. Работа этой печи была направлена на улучше­

и

сталлизатор (PC) в табл.14.13.

ние металлургических свойств титана и повыше­ние экономичности технологического процесса.

Стоимость плазмообразующего газа - важ­ная составляющая часть в экономике работы плазменной печи, использующей аргон и гелий. Как показано в табл. 14.12, очистка и повторное использование печных газов снижают их стои­мость до сравнимой со стоимостью электро­энергии.

1 - плазмотрон; 2 - газ; 3 - ван­на металла; 4 - кристаллизатор; 5 - слиток; б-механизм вытяж­ки слитка

Потеря выработки - еще один важный фак­тор в сравнении экономичности различных про­цессов. Например, когда сплавы титана плавятся в ванне, потери переработки в плазменной печи ниже 1 %, в то время как потери при переплавке титановых слитков в холодной ванне электрон­ным лучом могут быть в диапазоне 6.. .9 %.

Экономические данные плазменной плавки титана в холодном тигле (РСН) в сравнении с плавкой в дуговой вакуумной печи с расходуе­мым электродом (VAR), плавкой плазмой в кри-плавкой электронным лучом (ЕВСН) приведены

Для использования в электропечах для переплава титана, тугоплавких металлов, никелевых сплавов, урана и других высокоценных металлов в ОАО «Сибэлектротерм» совместно с ИТФ и ИТПМ СО РАН создан плазмотрон обратной полярности мощностью 1200 кВт, рабочий газ - гелий. Пять плазмо­тронов такой конструкции работают на электропечи с холодным подом в кор­порации «ВСМПО-АВИСМА». Фотография плазмотрона приведена на цвет­ной вкладке.

Технологический процесс Leybold AG предназначен для производства специальных металлов и сплавов с применением вакуума или инертных газов. Произведенный продукт используется в авиакосмической промышленности, где высокое качество приобретает важнейшее значение. С помощью плазмен­ной техники получают новые материалы: чистые титановые сплавы из металла и скрапа, интерметаллические сплавы (титан-алюминий), сплавы ниобия и тантала с алюминием. Разработан комбинированный плазменно-индукцион-ный процесс.

Компания Leybold AG (Германия) разработала плавильный процесс с двумя плазмотронами и холодным тиглем для переработки титанового скрапа и плавки титана. Этот плазменно-дуговой процесс, использующий плазмотро­ны прямого действия, разработанные корпорацией Plasma Energy Со (PEC), известен как плазменная плавка в холодном тигле я выполняется в плазменно-дуговой печи прямого действия мощностью 650 кВт (рис. 14.26, а).

Плазмотрон смонтирован на направляющем устройстве в верхней части печи и может перемещаться в любом направлении над поверхностью расплава под контролем компьютеризированной системы управления. Плазмотрон имеет

положительный электрод (анод), а тигель имеет отрицательную полярность (катод).

Плазмотрон мощностью 650 кВт выполнен в виде полого электрода и способен работать в диапазоне давления от 40 до 760 мм рт. ст.

Второй процесс (рис. 14.26, б) известен как плазменная плавка в холодной ванне и используется для переплава и очистки титана. Этот процесс предна­значен для удаления загрязнений высокой и низкой плотности, сохранения со­держания алюминия, выравнивания и осреднения содержания кислорода в сплаве. Схема электропечи для плазменной плавки в холодной ванне пред­ставлена на рис. 14.27.

Печь имеет две секции и три плазмотрона. Первая секция служит для расплавления и слива металла, вторая - обеспечивает непрерывную подачу расплава в кристаллизатор для формирования слитка.

Типичные режимы работы плазменной печи соответствуют атмосферно­му давлению (или выше) для исключения попадания окружающего воздуха в реакционную зону. Высокое давление в печи в сравнении с другой техникой (электронно-лучевой или вакуумно-дуговой) исключает испарение металличе­ских компонентов сплава (например, потери алюминия в титановых сплавах).

Особого внимания заслуживает проблема износа электрода плазмотрона. В промышленных условиях срок службы электродов превышает 100 ч. Ло­кальный прогар электрода недопустим, так как приводит к попаданию охлаж­дающей воды в печь и в случае с титаном это может вызвать взрыв печи.

1 - плазмотроны; 2 - устройство загрузки скрапа; 3 - вибролоток; 4 - кристаллизатор; 5 — механизм вытяжки слитка

Одно из требований технологического процесса - соблюдение времени выдержки жидкого металла в тигле (15 мин). Печь для плавки титана, изобра­женная на рис. 14.27, оснащена тремя-четырьмя плазмотронами с управляе­мым перемещением. Максимальная мощность каждого плазмотрона составля­ет 1,0 МВт. Это обеспечивает производство слитков диаметром 800 мм, длиной 3000 мм и массой 7 т.

Плазмотроны были разработаны в сотрудничестве РЕС и Leybold. Диа­метр плазмотрона составляет 150 мм. Главный элемент в конструкции - это полый (трубчатый) водоохлаждаемый медный электрод с внутренним диамет­ром 30 мм и длиной 500 мм. Эта деталь подвержена эрозии и может быть легко заменена. Межэлектродная вставка (сопло) также медная, водоохлаждаемая и электрически изолирована от электрода.

Плазменная дуга зажигается между электродом и соплом импульсом вы­сокого напряжения. Плазмотрон работает в режиме косвенного действия не­сколько секунд, затем электрическая связь между электродом и соплом разры­вается. Далее плазмотрон работает только в режиме прямого действия.

Плазмообразующий газ (аргон или гелий) подается закрученным, что приводит к вращению приэлектродного пятна по внутренней поверхности электрода. Давление газа периодически пульсирует между 2 и 3,5 атм, что обеспечивает осевое сканирование пятна дуги по электроду. Это движение ду­гового пятна приводит к изменению напряжения плазменного столба. Длина дуги от плазмотрона до расплава, как правило, составляет от 200 до 300 мм.

Плазмотрон находится в эксплуатации в Напаи (Германия) в течение двух лет. Печь оснащена 16-литровым медным тиглем, охлаждаемым водой. Максимальное значение подводимой электрической мощности - 650 кВт.

На рис. 14.28 показано изменение напряжения дуги как функции от основ­ных технологических параметров: типа плазмообразующего газа (гелий или ар­гон), давления в печи и расстояния между плазмотроном и жидкой ванной.

Напряжение дуги возрастает вместе с давлением внутри печи и рас­стоянием плазмотрон/металл. Градиент потенциала составляет 1.. .2 В/см в ар­гоне и 4,5... 7 В/см - в гелии.

Экстраполяция кривых до нуля показывает, что падение потенциала внутри плазмотрона равно примерно 130 В для аргона и около 150 В для гелия.

Тепловой КПД плазмотрона (энергия, используемая для расплавления металла) составляет 20...25 % на аргоне и немного больше на гелии (30...35 %). Следует заметить, что плазменная плавка металла требует в 2 раза больше энергии, чем электронно-лучевая плавка, где КПД составляет от 50 до 70 %.

Напомним еще раз о необходимости тщательного выбора электродов плазмотрона. Износ электрода должен быть однородным и исключать прогар его стенки. Загрязнение ванны расплава материалом электрода должно быть минимальным. Вес медного электрода (анода) равен 18 кг. Для плазмотрона мощностью 400 кВт со средним значением силы тока 1400 А измеренная ско­рость разрушения электрода составила 0,8 г/ч. Скорость эрозии пропорцио­нальна I²'²⁴ (I - ток дуги, А). Для максимального значения тока дуги 4 кА вы­численная скорость эрозии составляет 7,9 г/ч и ресурс электрода равен 600 ч. Эти данные соответствуют скорости износа электрода на установке РЕС на одном из заводов США.

Процесс Plasma Progressive Casting Furnace (PPC-F) был разработан и ис­пользован фирмой Daido Steel для производства титана и сплавов в слитках.

На рис. 14.29 показана схема технологического процесса. Шесть аргоно­вых плазменных дуг горят между шестью вольфрамовыми катодами плазмо­тронов и поверхностью расплавленного металла - анодом. Срок службы като­дов составляет около 150 ч.

Куски различного скрапа титана или его сплавов загружаются в печь, в кристаллизатор. Полученные слитки имеют следующие размеры: диаметр -440 мм, длина - 3 м, вес - 2 т. Потребляемая при этом мощность плазмотро­нов - 540 кВт (6x90 кВт). Плазмообразующий газ - аргон.

Этот технологический процесс плазменной обработки позволяет устра­нить дополнительные операции прессования и сварки электродов, которые не­избежны при плавке металла в дуговой вакуумной печи. Потери металла в ре­зультате испарения незначительны. Поэтому процесс переработки лома имеет относительно низкую себестоимость.

Слитки, производимые компанией Daido Steel методом плазменной тех­нологии, перечислены в табл. 14.14.

Таблица 14.14

Сортамент слитков и мощность Электропечей фирмы Daido Steel

Масса слитка, кг	Диаметр, мм	Мощность плазмотронов, кВт
3	65	100
50	110	140
100	200	270
2000	440	540 (6x90)