СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЯ ОТ ПРИМЕСЕЙ И ПЕЧЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2012 года по МПК C22B21/06 

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.

В начале процесса очистки отхода алюминия в тигель печи загружают 10-15 мас.% буры (Na₂B₄O₇·10H₂O) от предполагаемой к загрузке в печь массы отходов алюминия и борную кислоту, массу которой рассчитывают по формуле:

,

где m_H3BO3 - масса борной кислоты, загружаемая в печь, кг;

m_отх. - 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:

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_пл.=577°C), тетраборнокислого натрия (t_пл.=878°C).

Так как удельная масса борного ангидрида (d=1,844 г/см³) и тетраборнокислого натрия (d=2,37 г/см³) меньше удельной массы алюминия (d=2,70 г/см³), то произойдет медленный подъем слоя расплава смеси тетраборнокислого натрия и борного ангидрида в расплаве отхода алюминия вверх. Во время подъема слоя расплава Na₂B₄O₇ и B₂O₃ будут происходить следующие реакции:

Образующиеся метаборнокислые соли алюминия [Al(BO₂)₃] 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:

m_отх=0,785·H·2.7 [D₁ ²+n(D₂-D₃)²], где

m_отх - масса отходов алюминия, предназначенная для загрузки в тигель печи;

0,785 - коэффициент, соответствующий значению π:4;

H - высота расплава алюминия, м;

2,7 - удельная масса алюминия, т/м³;

D₁ - диаметр тигля, м;

D₂ - диаметр камеры, м;

D₃ - 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 (Na₂B₄O₇·10H₂O) кг 7,0 Получено очищенного алюминия - 20,86 Загружено в печь борной
кислоты (H₃BO₃) 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 борной
кислоты (H₃BO₃) 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 (H₃BO₃) 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 (H₃BO₃) 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 (H₃BO₃) 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.

Изобретение относится к способу и печи для очистки отходов алюминия от примесей. Способ включает плавление отходов в печи в инертной среде в присутствии тетраборнокислого натрия и ангидрида борной кислоты при температуре плавления или выше температуры плавления алюминия, при этом в начале процесса в печь загружают буру из расчета 10-15% от предполагаемой к загрузке в печь массы отходов алюминия, борную кислоту, массу которой рассчитывают по формуле: , где m_Н3ВО3 - масса борной кислоты, загружаемая в печь, кг; m_отх. - масса отходов алюминия, загружаемых в печь, кг; Х - содержание оксида алюминия в отходе алюминия, мас.%, затем загружают в печь отход алюминия из расчета, что расплав алюминия должен достичь высоты 800-1000 мм и выдерживают в печи в течение 45 минут при температуре 880-900°С. После выдержки расплава алюминия в печи температуру снижают до 680-700°С и при этой температуре производят слив расплава алюминия в изложницы, сперва через верхнюю летку, расположенную на высоте 100 мм от дна тигля печи, затем через нижнюю летку, расположенную на уровне дна тигля печи. Печь имеет газовые тупиковые горелки, размещенные в камерах, сообщенных с тиглем печи посредством окон в кладке тигля, и две летки. Изобретение позволяет получать из отходов алюминия высококачественный алюминий, уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ очистки отходов алюминия от примесей путем плавления их в печи в инертной среде в присутствии тетраборнокислого натрия и ангидрида борной кислоты при температуре плавления или выше температуры плавления алюминия, отличающийся тем, что в начале процесса очистки отходов алюминия в тигель печи загружают буру в количестве 10-15 мас.% от предполагаемой к загрузке в печь массы отходов алюминия, а массу борной кислоты, загружаемой в печь совместно с бурой, рассчитывают по формуле

где m_Н3ВО3 - масса борной кислоты, загружаемая в печь, кг;
m_отх. - масса отходов алюминия, загружаемых в печь, кг;
Х - содержание оксида алюминия в отходе алюминия, мас.%,
при этом отходы алюминия загружают с таким расчетом, чтобы расплав их имел высоту, равную 800-1000 мм, и выдерживают в печи в течение 45 мин при температуре 880-900°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после выдержки отходов алюминия в печи с поверхности расплава алюминия убирают с помощью черпака агрегаты метаборнокислого алюминия и других твердых частиц, затем температуру расплава алюминия снижают до 680-700°С и производят слив расплава алюминия в изложницы, в начале через верхнюю летку, затем через нижнюю летку.

3. Печь для очистки отходов алюминия от примесей, содержащая металлический кожух, футеровку, тигель, крышку тигля, газовые горелки, летки для слива расплава алюминия в изложницы, отличающаяся тем, что она снабжена газовыми тупиковыми горелками, встроенными в камеры, сообщенные с тиглем печи через каналы, выполненные по всей высоте кладки тигля печи, выложенного из огнеупорного кирпича.

4. Печь по п.3, отличающаяся тем, что тигель печи имеет две летки, одна из которых расположена на высоте 100 мм от дна тигля печи и предназначена для слива очищенного алюминия в изложницы, а вторая расположена на уровне дна тигля печи и предназначена для слива расплава алюминия, содержащего интерметаллические соединения примесных металлов или истинные растворы примесных металлов, имеющих удельные массы больше, чем у алюминия.