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废铝和合金熔炼设备为熔体净化处理

北京有色金属研究院 赵国权

  废杂铝在重熔前必须进行分选(包括手工分选、磁选、悬浮选等)处理(除水、除液、除漆、焙烧等),一般的废铝处理室熔并铸成成份性能符合产品标准要求的铸锭铝,废铝的再生即告一段落。后加工同原生铝是相同的。再生铝铸锭的标准与原生铝铸锭要求是一样的。为达此目的,关键是通过分选、处理保证熔炼的原料达到标准要求。但是在熔炼设备和熔体的处理必须给予充分重视。否则,同样得不到符合标准的铸锭。

  1、 熔炼设备

  严格说来,再生铝的熔炼设备与原生铝是一样的。但是,由于废铝形状大小不一,对于小尺寸的料熔炼时烧损大,甚至尚未入炉熔化,即已氧化完了。因此,熔化废铝的设备更需考虑氧化烧损及因此提出的对设备的各种要求。

  铝的熔点虽较低(660℃), 但其熔化潜热和比热大,因此铝熔化所需热量甚至超过铜(Cu熔点963℃),说明铝熔炼的节能是十分重要的。

  熔铝炉有反射炉、感应炉、电阻炉等。反射炉又有辐射式和对流式熔铝炉。反射炉使用的燃料有天然气、煤气、重油等。按几何形式分,有侧装料矩形炉和顶装料的圆形炉等。目前,除电阻炉外,反射炉和感应炉的应用不断扩大并不断改进完善。我国尚有很多乡镇个体企业采用土法的地坑式坩锅炉,用煤作燃料,因此能耗高、烧损严重、实收率低、劳动强度大、生产率低等原因,这是属于淘汰方法。

  感应熔铝炉:常用的有无芯和有芯两种,这种炉的优点是:

  ① 吸气少、氧化烧损少,一般金属铝烧损仅0.5%左右。原料碎小时也不是1%,对废铝而言最多才5%。

  ② 熔化时产生强烈磁力线搅拌,成分均匀,熔化快,对碎料十分有利。

  ③ 单位电耗少,热效率高。一般情况下,电耗为380~450千瓦小时/吨,热效率可达70%。电阻炉则相应为430~600千瓦小时/吨和50%。

  ④ 占地少,操作环境好

  缺点是熔沟式感应炉更换品种时需将熔沟中的铝清除,带来困难。其次是熔沟中耐火材料受熔铝冲刷剥落污染熔体。

  反射炉:反射炉是目前使用最多的炉型,辐射式熔铝炉主要是通过火焰加高温炉墙进行高温辐射传热使炉料熔化(图1)。

  这种炉子用辐射热熔铝,炉料吸收的热量有限,热效率才8%。因此,近几年对流式熔铝炉不断得到扩大应用(图2)。

  对流式熔铝炉是以对流传热方式为主的熔化炉。在快速溶铝炉等炉型中普遍采用高速或超高速烧咀。火焰速度高达120—150米/秒,使用高速烧咀,传热效率明显提高,其热效率比辐射式高2/3以上。其次,由于炉温降低和强热的炉气对流,使金属烧损大为减少。因此得到了广泛的应用。

  对流式反射炉有不同的结构:图3列出了竖式炉结构。这种炉子的特点是:炉子没有炉膛,铝一边熔化,一边顺着斜炉底流出炉子,进入静量炉。冷却启动时,能在熔化5—10分钟后即可出铝水。停炉后,铝水在1—2分钟内即可出完。操作方便,可连续出铝水。烧咀燃烧速度可调,采用这种炉子能耗少。这种炉子可专门用于熔化废饮料罐,熔化挤压型材废料等。图4列出快速溶铝炉流动由塔形预热区和箱型升温区组成。炉料经斗式斜桥提升机塔顶装入塔式炉内,废气与炉料接触使炉料预热,温度可达300~400℃,在塔形炉下部装有使炉料熔化的高速喷嘴。气流速度100~300米/秒,对炉料进行冲击加热,使其快速熔化,熔融铝液沿倾斜炉底导入升温区。在升温室顶部装有火焰铺展性不大的烧嘴,将熔融铝液加热到烧铸温度,并得到静置。

  这种炉在处理熔化73%返料和27%铝锭时,金属损耗仅1.5%。这种炉子的另一优点是炉料从炉顶下降过程中,不断干燥、预热、软化、下沉,易挥发物、水汽等一并随烟气排出烟道,一些油漆之类物质也可在熔化前燃烧排除。因此熔铝的质量也可提高。

  日本大久国雄提出了重熔铝废料用敞口井式反射炉结构。结构(图5)这种炉子由预熔室、熔化室、压料装置和电磁搅拌器等构成。此炉的特点是敞露的熔池便于废料装炉,并使炉料直接与熔池内的熔体接触而快速熔化,敞口井上方有将废料捣入熔体内的压料装置。敞口井与熔化室相连,中间由炉门隔开,两者熔池在炉门以下相通。熔化室由炉门和炉顶封闭,室内烧嘴加热熔铝。熔化室炉衬下底外配置有搅拌熔体的电磁搅拌器。电磁搅拌器的位置可调。这种炉最适用于金属铝废料,特别是空铝罐,铝切屑等废料的重熔,且不用传统的打压成包。铝废料在敞口井处装入后,由压料装置强行压入熔体,可加快熔化。这减少了铝箔等铝材的烧损,而废料的表面的油漆和涂料等燃烧时产生的废气,几乎进不到熔化室,全部从敞口上空消散或往烟尘收集器净化后放空。电磁搅拌提高了熔化率并使成分均匀,提高产品质量。

  现代反射炉主要是燃烧气油,其中关键是烧嘴的结构。国内的“颜氏快速熔铝炉”和“颜氏燃烧器”得到推广应用,取得较好的结果。

  上海铝线厂使用燃煤竖式熔铝炉,对没有条件的中心企业有一定参考价值。此时,把煤加入燃烧室燃烧,辅以鼓风机助燃,燃烧产生的火焰通过翻火墙窜入炉体内,将热量引入炉膛熔化铝料。

  电阻炉:电阻炉目前只在一些小型企业中应用,因其热效率低,熔化速度慢等缺点,大型炉子已逐步被反射炉和感应炉代替。

  二、铝熔体的精炼

  铝再生时净化精炼是十分重要的工序,有关净化内容下面再述。再生铝重熔时精炼剂的消耗经常因铝液的质量问题而比原生铝要多许多,这就导致成本、人力、时间的增加。因此,提高精炼效果对于再生铝熔炼尤为重要。在精炼方面研究较多,苏联人提出向熔体深处引入高温气流精炼铝熔体的方法(见图6)。

  具体方法是把装有铝熔体的浇包运到精炼装置处,把与直流电源相接的等离子流发生器接通,把等离子流发生器插入熔体的2/3深度。

  在800~850℃下,一直在氩气等离子流作用下精炼。在此期间,通过蒸发系统和等离子发生器向熔体加入CCl4。用这种方法处理铝熔体后,熔体表面上的有害夹杂物不超过1.5%,HCl蒸气是其主要组成物。

  三、再生铝合金净化处理

  众所周知,废杂铝的回收至今极少走原生铝的流程,即还原电解,其主要原因是经济上划不来。因为废杂铝的回收花费大。通常报道,再生铝回收电耗仅为原铝的5%,仅仅指熔化废铝、废铝回收处理和运输消耗的能量。电解铝所需的能量则远远大于此数,通常吨铝电解电耗为13000~15000千瓦小时,能耗成本将十分可观。同时,由于废杂铝中存在有许多矿石中所没有的添加元素,这将给再生利用带来麻烦,甚至一般工艺无法达到恢复原生铝纯度的目的。从各种因素综合考虑,现今各国再生铝工艺的工序是废铝-分解-处理-重熔-不同牌号成分的再生铝合金。当然以上工艺程序存在有成分难以控制、配制的困难。

  因此,在重熔时净化、提纯的课题仍是再生铝工业中大家共同探索的课题。除采取在废杂铝在熔化炉之前进行各种处理,以免杂质,外来元素进入等措施外,还需研究根据产品需要、工艺需要在熔化过程中降低杂质元素及某些原合金元素的含量,使其与生产目标合金成分标准要求。目前最通用的方法是净化炉前原料分析,精心配制,分多次加料,加强熔化时搅拌,强化炉前分析,强化精炼出炉、静置炉熔剂精炼等,用以保证金属内部纯度,保证产品质量,提高实收率。强化分析,将原废杂铝按成分分类分级。分别使用是保证产品化学成分质量的最有力的措施之一。经分析综合标准或厂内废料、碎料,在处理打包后重熔或再生锭后再根据分析使用。

  熔体净化是十分重要的工序,废杂铝中内部纯度差,不同程度地含有氧化膜等, 有的表面被水、油垢、油漆、灰尘污染严重,极易进入熔体,形成梳松夹杂缺陷,影响铸件最终性能,必须强化熔体净化处理,常用净化处理方法,见下表:

  净化处理方法系列:

  表中所列的方法对于除氢、非金属夹杂和钠等异物均有不同程度的效果。对于废杂铝中原有的合金元素提取极为困难,鲜见报道,但有时可以利用一些合金元素的相互关系影响合金性能来进行调节控制。如Mg和Si形成Mg2Si化合物强化相。组成的Mg2Si的Mg/Si重量比是1.73。当Mg2Si>1.73时将影响Mg2Si在合金中的固溶度,减弱热处理效应。过剩Si都无影响。Fe和 Si同时存在时形成三元化合物,Fe>Si时,形成较多的α脆性相(Al2Fe3Si2); Fe<Si时生成更脆的β相(Al12Fe2Si)。为防止开裂,对Si应控制在充分满足Mg2S的生成后剩余Si不大于铁含量的范围内。适当提高铁可明显降低铸造热裂倾向。根据这些关系,可适当进行成分调整,以满足产品要求。

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