Плавление алюминия: физические принципы

 

Каждое производство алюминиевых прессованных профилей обычно имеет свой участок или цех по переплавке собственных технологических отходов, а также подходящего покупного алюминиевого лома. Полученный алюминиевый расплав разливается затем в слитки-столбы для прессования (см. подробнее здесь). Типичными плавильными печами для такого производства являются газовые отражательные печи с прямой загрузкой шихты, стационарные или наклоняемые (рисунок 1).


Рисунок 1 – Типичная отражательная печь для плавления алюминия [1].

Ниже рассмотрены основные физические принципы, закономерности и явления,  которые нужно учитывать при работе с такими печами.

Четыре механизма передачи тепла

В плавильных печах с прямым нагревом, таких как отражательные печи, источником тепла является одно или несколько газовых горелок. В такой плавильной печи главными механизмами передачи тепла к алюминиевой шихте являются [2]:

  • Тепловое излучение от футеровки (свода и стен)
  • Тепловое излучение от объема газообразных продуктов сгорания над металлом
  • Прямое тепловое излучение от пламени факела горелки к металлу
  • Конвективная передача тепла от горячих газов, которые проходят вдоль поверхности металла.

Для отражательных печей излучение от футеровки обычно считается основным источником тепла для плавления алюминиевой шихты. Однако на некоторых этапах плавильного цикла этот механизм передачи тепла шихте может быть весьма незначительным [1, 2]. Эффективная работа любой плавильной печи требует максимального использования всех механизмов передачи тепла за счет их оптимизации на различных этапах цикла плавления.

Теплопроводность алюминия: твердого и жидкого

В твердом состоянии алюминий является очень хорошим проводником тепловой энергии. По этой причине печи с прямой загрузкой в начале цикла плавления могут передавать загружаемой шихте тепло с очень высокой скоростью.

В жидком состоянии теплопроводность алюминия падает примерно наполовину от ее величины в твердом состоянии (рисунок 2). Это свойство жидкого алюминия может значительно снижать эффективность плавильной печи при загрузке шихты непосредственно в расплав. Чтобы избежать этого, типичные отражательные печи имеют наклонный вход (см. рисунок 1). На этом наклонном входе происходит предварительное высушивание шихты, а также может происходить ее нагрев вплоть до температуры плавления.

Рисунок 2 – Коэффициент теплопроводности алюминия и сплава 6061
в зависимости от температуры [2]

Тепло для плавления шихты

На рисунке 3 показано количество тепла, которое требуется для расплавления и доведения до температуры разливки одного килограмма алюминия. Девяносто три процента из этого тепла поглощается алюминием, пока он находится в твердом состоянии. Поэтому эффективность плавильной печи с прямым нагревом зависит от того, как много тепла успевает поглотить твердая шихта до погружения ее еще не расплавленной части ниже поверхности расплава [1].

Рисунок 3 – Удельное тепло для плавления алюминия и
нагрева его до температуры разливки [2]

Цикл плавления отражательной печи

Изменение температурных параметров и потребляемой мощности горелок в отражательной плавильной печи с прямой загрузкой показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Изменение температурных параметров и
потребляемой мощности горелок в цикле плавления отражательной печи [1]

В начале цикла плавления холодный металл загружается в горячую печь. В результате этого температура футеровки значительно снижается. Твердый металл, который загружен в печь, очень быстро поглощает тепло от газового потока продуктов сгорания. Поток горячих газов во многих случаях ударяет непосредственно в алюминиевую шихту (рисунок 5). На этом этапе общая площадь поверхности шихты очень большая и поэтому происходит эффективная передача тепла от горячих газов продуктов сгорания к шихте. По этой причине отходящие газы печи имеют относительно низкую температуру (см. рисунок 4).

Рисунок 5 – Прохождение горячего потока продуктов сгорания горелки
через алюминиевую шихту: а) полное; б) частичное [2]

По мере нагрева твердой шиты интенсивность ее теплообмена с горячими газами продуктов сгорания снижается. Потребляемая мощность горелок также снижается. Шихта начинает плавиться и принимать плоскую форму (рисунок 6). На этой стадии плавильного цикла температура выходящих из печи газов резко возрастает из-за снижения перепада температуры между горячими газами и металлом, а также уменьшения площади контакта их взаимодействия.

Рисунок 6 – Воздействие горячих газов горелки на плоский расплав в печи [2]

Твердая шихта в расплаве

Алюминий в твердом состоянии имеет более высокую плотность, чем в жидком (рисунок 7). Поэтому обычно твердая шихта легко погружается на дно ванны расплавленного алюминия. Если поверхность шихты, например, алюминиевой стружки, слишком велика по сравнению с ее массой, то она может плавать на поверхности расплава за счет поверхностного натяжения.

Рисунок 7 – Зависимость плотности чистого алюминия от температуры [3]:
а – твердый алюминий,  б – жидкий алюминий

Как только твердая шихта погружается в жидкий алюминий, ее теплообмен с печью ограничивается теплопроводностью металла, в котором она находится. Основным механизмом передачи тепла к плоской поверхности расплава является передача тепла излучением от футеровки, пламени и продуктов сгорания. Поэтому важно, чтобы на этом этапе работы печи, она имела максимально высокую рабочую температуру.

Окисление жидкого алюминия

Может показаться, что на этом этапе самым эффективным путем для завершения цикла плавления является увеличение температуры расплава. Но, к сожалению, алюминий в жидком состоянии проявляет слишком высокую химическую активность.

На рисунке 8 показано влияние повышения температуры алюминиевого расплава на образование шлака (Al2O3). Когда температура алюминия превышает 760 ºС, скорость образования шлака резко возрастает. Чем больше шлака образуется, тем больше металла безвозвратно теряется.

Для образования шлака кроме высокой температуры обязательным является присутствие в контакте с металлом кислорода. Основными источниками кислорода в объеме печи являются воздух, который проникает снаружи, и воздух, который не успел сгореть в горелке. Хорошая горелка должна работать без подачи избыточного воздуха в объем печи.

Рисунок 8 – Зависимость скорости окисления алюминия от температуры [2]

Влияние толщины шлака

Тонкий слой шлака является даже полезным, так как он снижает отражательные свойства алюминиевого расплава. Это способствует лучшему поглощению теплового излучения от футеровки, пламени и газовых продуктов сгорания. Если же слой шлака становится слишком толстым, то он действует как теплоизолятор. В этом случае, чтобы передавать тепло внутрь расплава нужно еще более повышать температуру на его поверхности.

Глубина расплава в печи

Плотность жидкого алюминия с повышением температуры не значительно, но снижается (см. рисунок 7). Это означает, что при нагреве расплава сверху, его нижние слои будут всегда «тяжелее» верхних. Расплав будет находиться в состоянии гидростатического равновесия и без внешнего воздействия никакого внутреннего движения в нем происходить не будет. Тепло для нагрева нижних слоев расплава может передаваться только от верхнего горячего слоя за счет механизма теплопроводности [1]. Поэтому, чем глубже ванна с жидким алюминием, в которую погружена твердая шихта, тем труднее доставить к ней необходимую для расплавления тепловую энергию.

В общем случае более глубокие печи требуют больше энергии для своей работы и имеют более высокий угар. Считается, что для отражательных печей плавления алюминия оптимальной глубиной расплава является 500-600 мм. Но и в этом случае разность температуры между верхом и низом расплава составляет 23-25 ºС [1].

Перемешивание расплава

Чтобы повысить скорость нагрева расплава применяют различные методы его перемешивания. Чаще всего это выполняется с помощью механических инструментов, таких как ручные скребки или большие скребки, установленные на автопогрузчике. Однако уже через несколько минут после окончания этой операции, ванна расплава снова возвращается к прежнему устойчивому состоянию [1]. Кроме того, для такого перемешивания нужно открывать загрузочное окно печи, что приводит к дополнительному образованию шлака. Поэтому на больших печах и крупных производствах применяют сложные системы перемешивания расплава с помощью различных помп – центробежных, электромагнитных и других, которые могут перемешивать расплав в непрерывном режиме.

Источники:

  1. Handbook of Aluminium Recycling / Сh. Schmitz, 2006
  2. Direct Charged Melters / Donald F. Whipple – Bloomengineering, 2004
  3. Handbook of Aluminium: Vol. 1 / ed. Toten@McKenzie, 2003