За последние десятилетия металлолом становится все легковеснее и беднее по содержанию чистого металла, % которого в сырье очень волнует металлургов. Особо острой стала эта тенденция для цветных металлов и прежде всего – алюминия. Характерно для него становление нового рынка потребления – мирового рынка упаковки из тонкой ленты и фольги, которая затронула и Россию. Характерно в качестве примера рассмотреть быстро растущий российский рынок алюминиевой тары (банок) и соответствующего алюминиевого лома. Оценки его динамики приведены в Таблице.
Объем этого рынка у нас пока до удивления мал, но темпы его роста впечатляют. Для России напитки в банках все еще малораспространенный продукт (например, менее 10% от уровня Японии). Однако концентрация их потребления в крупных городах уже начинает приближаться к зарубежному уровню. А концентрация мусора, т.е. алюминиевого лома в виде банок, успешно превосходит «западный» уровень. До ситуации Германии, где в прошлом году под давлением экологов был принят закон об обязательной утилизации использованных алюминиевых пивных банок нам очень далеко. Как и до уровня Японии и США (утилизация выше 60%).
Однако закупочные цены на этот лом в России неуклонно растут, а замусоренность городов, пригородов и обочин дорог позволяют этому бизнесу надеяться на прямую поддержку местных властей (например, как в Москве и Московской области).
Однако утилизация подобных ломов поставила целый комплекс технических проблем. Даже после сортировки и брикетирования их пористость много выше 50%. Велика также доля загрязнений легковесного лома. Поэтому переплавка их потребовала создания и совершенствования специальных технологий и оборудования. На западе их возникновение началось с 50х годов прошлого века. Известны, например, технологии английской фирмы ТТС, более полувека работающей над специальными печами, системами контроля загрязнений и сепарации металла. Гамма их продукции от 72-тонных печей с кислородным поддувом и электромагнитными насосами до малых роторных печей солевого расплава и очистки алюминиевого лома. Однако данное оборудование зарубежных производителей весьма дорого, требует технического сопровождения и обучения специалистов. Поэтому приятно отметить развитие в последние годы этого металлургического направления и в России.
Развитие технологии переработки легкого алюминиевого лома
«Развитие конкурентоспособного производства невозможно без внедрения новых разработок и исследований», – считает С.Б. Новичков, главный научный консультант ОАО «Мособлпроммонтаж». В данной статье рассказывается об опыте этой фирмы по внедрению передовых технологий по переработки металлолома.
Современные требования к качеству вторичных металлов требуют новых технологий их производства. При этом целесообразно использовать как зарубежный опыт, но и собственные научные разработки, включающие широкие научно технологические исследования, эксперименты и математическое моделирование.
Предприятие поставило перед собой задачу перерабатывать низкосортные отходы алюминия, которые раньше в России просто никто не перерабатывал. Особые проблемы и возникли при переработки легковесного баночного лома. Его переработка в печах старых образцов, стала неэффективной и экологически опасной, а затраты на утилизацию отработанного сырья резко возросли. Стало ясно, что без проведения определенных опытов и расчетов многие технологические проблемы невозможно решить. Все эти работы потребовали определенных затрат, но они окупились в дальнейшем, что подтвердила практика работы предприятия.
Российские исследования по переработке вторичного алюминиевого сырья возобновились в конца 1990 годов. На волне подъема бизнеса по переработке лома цветных металлов, российские фирмы предприниматели начали строить печи, ограничиваясь наиболее дешевыми конструкциями отражательных или шахтных печей, пригодных для переплава лома, но малоподходящих для переработки бедных ломов и нового вида сырья – баночного алюминиевого лома. В 2001 г. снижение цен на цветные металлы на мировом рынке и одновременное повышение цен на сырье в нашей стране, поставило предприятия, занимающиеся переработкой алюминиевого лома, на грань выживания. На данном этапе сделать производство рентабельным стало возможным только на современном оборудовании зарубежных производителей, - в России такое оборудование пока не производится.
Иная ситуация складывалась в Европе, где развитие технологий вторичной металлургии алюминия практически не останавливалось. Здесь в 1980–90-е гг. широкое распространение получили роторные наклонные печи (РНП), которые имеют значительные преимущества перед своими аналогами: сокращение длительности плавки, расхода флюса, а также в простоте выгрузки отработанного шлака. Одновременно шло развитие вспомогательного производственного оборудования – прессов и центрифуг – для обогащения горячего шлака, и оборудования для обработки застывшего шлака – дробилок и сепараторов. Естественно развитие этой технологии многочисленными исследованиями, целью которых являлось изучение физико-химических и теплообменных процессов протекающих в РНП.
До принятия решения об организации подобного современного производства в ОАО «Мособлпроммонтаж» был поведено необходимое маркетинговое исследование, включая зарубежного опыт применения РНП, исследования рынка футеровки, газоочистных систем, технологий по рафинированию и модифицированию алюминия. Далее началась разработка и изготовление опытно - промышленной роторной печи (ОРНП), представленной на рисунке.
Научные и конструкторские задачи, поставленные перед коллективом предприятия, были таковы: Однако опытному оюорудованию предшествовала 3 -х летняя научно-исследовательская работа, включавшая лабораторный эксперимент, компьютерное моделирование и наконец, промышленное внедрение.
1) Разработать и освоить технологию получения вторичного алюминия из бедных алюмосодержащих шлаков и алюминиевых банок с содержанием алюминия в пределах 20 – 80 %.
2) Создание Лабораторной Роторной Наклонной Печи (ЛРНП) для исследований и компьютерного моделирования физико–химических процессов в РНП.
В числе разрабатываемых, были модели:
- газодинамики факельного горения в печах различных конструкций;
- гидродинамики ванны в зависимости от конфигурации печи и её скорости вращения;
- кинетики перехода металла из шлака в жидкую ванну;
- тепло - массопереноса между футеровкой печи и жидкой ванной.
Некоторые из результатов моделирования представлены на рисунках ниже.
В результате проведенной работы вскрыт механизм процессов, протекающих на межфазной границе алюминий – хлорид натрия с участием кислорода. Добавки фторсодержащих компонентов в хлоридные малоподвижные расплавы при плавке шлаков, способствуют объединению частиц алюминия. Однако, по мере увеличения массообмена, их роль становится все более негативной из-за интенсификации процессов образования летучих субсоединений, препятствующих коалесценции частиц алюминия и способствующих химическим потерям.
В части экономического анализа, установлено, что величина минимальных суммарных затрат при работе РНП определяется соотношением между транспортными и условно постоянными расходами и, в зависимости от производительности роторных наклонных печей, носит экстремальный характер.
Сравнение фактических результатов плавки шлака и баночного лома в ЛРНП, ОРНП и РНП позволило численно оценить роль влияния размеров печи на результаты плавки (масштабный фактор).
Итоговые результаты, полученные на ЛРНП и ОРНП позволили сделать вывод, что строительство Промышленной Роторной Наклонной Печи (ПРНП), представленной на рисунке ниже, экономически целесообразно. Так, совместно с зарубежными фирмами была построена и запущена первая в России ПРНП емкостью 10 т.
В процессе научных исследований, создана методика технико-экономической оптимизации параметров оборудования предприятия, перерабатывающего отходы вторичного алюминия. Разработана современная классификация алюминий содержащих шлаков, позволяющая производить их более обоснованную технико-экономическую оценку и осуществлять выбор технологии и техники для их переработки. Проведенные теоретические исследования имеют большое практическое значение для отечественных ломопереработчиков. Они опубликованы неоднократно в материалах ежегодной международной конференции «Алюминий Сибири» и журналах «Цветная металлургия»
Результаты освоения печи изложены в ряде статей и диссертации. Поскольку печь является первой в России, сравнивать ее можно только с действующими отражательными и шахтными печами. Очевидным преимуществом является сокращение времени плавки в 2 раза. Преимуществ перед Европейскими РНП, у данной печи нет. При использовании отходов с железными примесями содержание его уменьшается в разы. Из-за возможности плавить под «сухим флюсом» в 2-3 раза уменьшается потребность во флюсах и соответственно сокращается количество отвального шлака.
Вместе с тем, опыт плавки шлака на ОРНП поставил ряд новых вопросов, ответить на которые можно было только путем экспериментов. Это, прежде всего, проблема выбора оптимального состава флюса и правильного определения его количества с учетом состава конкретного шлака. Несколько сотен опытов, проведенных на ЛРНП, являющейся десятикратно уменьшенной копией промышленной печи, позволили выявить некоторые новые закономерности плавки шлаков и создать качественную картину физико-химических процессов, происходящих в печи.
Группой теоретиков и программистов из Красноярска и Новосибирска было создано несколько универсальных программ математического моделирования физико-химических процессов, происходящих в РНП. Они используются для улучшения функционирования имеющегося оборудования и расчета конструкции будущих печей как в России, так и за рубежом Ими заинтересовались специалисты некоторых отечественных металлургических заводов, и мы надеемся на тесное сотрудничество с ними и обмен опытом. Полученным опытом уже воспользовались зарубежные разработчики и технологи. Они внедрили часть наших разработок на одном из передовых заводов Германии. А при прохождении сертификации предприятия по международным стандартам, эксперты сделали официальную запись, что такой уровень автоматизации есть не на всех ведущих заводах Европы. В ближайших производственных планах предприятия – продолжение реконструкции, введение новых производственных мощностей в целях увеличения объемов производства и качества продукции.
Выводы по результатам проделанной работы:
1. Впервые в РФ разработана, отлажена и запущена в производство роторная наклонная печь.
2. На предприятии разработана и внедрена ресурсо - и экологически сберегающая технология получения вторичного алюминия;
3. Освоено производство качественных сплавов на основе алюминия, что позволяет вновь использовать их в пищевой промышленности;
5. Создана база для подготовки технологов РНП.
Подготовил Александр КИЦ
