Алюминиевый лом: сортировка сплавов

Неуклонный рост цен на первичный алюминий, а также все более строгие экологические требования к производству алюминия, делают все более важным повышение эффективности переработки алюминиевого лома в новый высококачественный алюминий. Задача состоит не только в максимальном извлечении самого алюминия, но и эффективном повторном использовании легирующих элементов, которые уже присутствуют в алюминиевом ломе.

Алюминий: первичный и вторичный

Алюминий является вторым после стали по объемам производства и потребления в мире. Привлекательность алюминию как материалу для изготовления различных изделий и конструкций дают его уникальные свойства, такие как:

  • малый вес,
  • достаточно высокие прочностные свойства,
  • хорошая коррозионная стойкость,
  • способность к обработке всеми методами холодной и горячей формовки,
  • высокая электрическая и тепловая проводимость;
  • высокие отражательные свойства.

Природным сырьем для извлечения первичного алюминия являются ископаемые минералы бокситы. Для производства первичного алюминия требуется большое количество электрической энергии.

Вторичным алюминием называют алюминий, который производят из отходов и лома алюминия. При этом потребляется только 5 % энергии и, соответственно, 5 выделяется только 5 % парниковых газов по сравнению с производством первичного алюминия. За рубежом вторичный алюминий (secondary aluminium) часто называют более «толерантно»: «переработанный алюминий» (recycling aluminium).

Марки и сплавы алюминия

Алюминий применяют в основном в виде марок алюминия и алюминиевых сплавов:

  • Марки алюминия – это нелегированный алюминий с заданными пределами содержания примесей и загрязнений.
  • Алюминиевые сплавы также имеют пределы содержания примесей и загрязнений, а также заданные интервалы содержания одного или нескольких легирующих элементов. Эти легирующие элементы обеспечивают алюминиевому сплаву особые свойства по сравнению с нелегированным алюминием, а также другими алюминиевыми сплавами.

Алюминиевые сплавы подразделяются на две больших группы – деформируемые сплавы и литейные сплавы:

  • из деформируемых сплавов конечную алюминиевую продукцию производят методами обработки металлов давлением: прокаткой, прессованием, ковкой, штамповкой и т.п.
  • из литейных сплавов продукцию производят различными методами литья (в песчаные формы, под давлением, в кокиль и т. п.).

Легирующие элементы алюминиевых сплавов

Большинство деформируемых сплавов, по крайней мере, на 90 % процентов, а большинство из них – на 95 %, состоят из алюминия. Остальные проценты занимают легирующие элементы, примеси и загрязнения. Исключение составляют некоторые сплавы серии 4ххх.

Литейные сплавы отличаются более значительным содержанием легирующих элементов, а также примесей и загрязнений. Так, в некоторых алюминиевых сплавах содержание легирующих элементов превышает 20 % [1].

По основным легирующим элементам все сплавы – и деформируемые, и литейные – подразделяются на серии. Например, деформируемые сплавы подразделяются на восемь таких серий с соответствующими главными легирующими элементами:

  • 1ххх – марки нелегированного алюминия
  • 2ххх – медь, а также магний
  • 3ххх – марганец
  • 4ххх – кремний
  • 5ххх – магний
  • 6ххх – магний и кремний
  • 7ххх – цинк, а также медь
  • 8ххх – железо, а также другие элементы.

Основные легирующие элементы и примеси наиболее популярных в алюминиевой промышленности деформируемых алюминиевых сплавов представлены в таблице 1. Синим цветом выделены особенности этих сплавов по совместимости с другими сплавами или их отличия от других сплавов.

Таблица 1 – Популярные деформируемые алюминиевые сплавы

Роль вторичного алюминия

Массовое производство алюминиевых изделий, в том числе, для потребления в быту, началось в 1940-х годах. С тех пор в мире накопилось огромное количество алюминиевых изделий, которые закончили свой срок службы – алюминиевого лома. Большинство вторичного алюминия, около 70 %, традиционно идет на производство алюминиево-кремниевых литейных сплавов, которые применяют в основном для изготовления деталей автомобилей. Вторая крупная доля вторичного алюминия идет на производство деформируемых алюминиевых сплавов для изготовления листового проката и прессованных изделий, в том числе, прессованных профилей. В настоящее время доля вторичного алюминия составляет около одной трети от всего мирового производства алюминия и алюминиевой продукции [1,2].

Категории и группы алюминиевого лома

Долгое время в СССР, а затем в России и других странах СНГ, действовал ГОСТ 1639, который в своей последней редакции 2009 года выделял 32 категории алюминиевого лома: от Алюминия 1 до Алюминия 32.

В настоящее время в России введен ГОСТ Р 54564-2011, который содержит даже 38 категорий алюминиевого лома: от А1 до А38. Европейский стандарт EN 13920 определяет 15 категорий алюминиевого лома: от чистого нелегированного алюминия до алюминиевого шлака. Американская система классификации подразделяет алюминиевый лом на 44 категории (см. подробнее здесь).

На практике приемные пункты алюминиевого лома применяют обычно только около десятка различных групп алюминия [3], таких как:

  • электротехнический
  • пищевой
  • профили
  • кабели (без изоляции)
  • смешанный
  • радиаторы
  • стружка
  • лодки
  • банки.

Сортировка «навзгляд»?

Обычно алюминиевый лом поступает с приемных пунктов на предприятие по сортировке металлического лома в составе лома других цветных металлов и их сплавов. Здесь типичной картиной является ручная сортировка по нескольким коробам отдельных компонентов лома по их внешнему виду, происхождению и типичному применению.

Самыми популярными – и дорогими – категориями алюминиевого лома являются «электротехнический алюминий» («электротех») и «пищевой алюминий». Эти категории алюминиевого лома считаются самыми чистыми и обычно применяются в плавильной шихте для разбавления чрезмерного содержания того или иного легирующего элемента, например, магния или кремния, а также железа, при приготовлении алюминиевого расплава для литья слитков-столбов из вторичных сплавов 6060 или 6063. Эти слитки идут для прессования алюминиевых профилей.

Однако, как будет показано ниже, эти категории алюминиевого лома могут быть весьма неоднородными и неопределенными по химическому составу. Поэтому применять этот лом без предварительного инструментального контроля его химического состава весьма рискованно: можно испортить весь алюминиевый расплав, который находится в печи.

Электротех

К электротехническому алюминию относятся такие алюминиевые изделия и материалы, как провода, голые жилы кабелей, электрические шины [2]. Обычно считается, что электротехнический алюминий – это различные марки нелегированного алюминия.

  • Действительно, согласно ГОСТ 22483 алюминиевые провода и жилы делали в основном из марок первичного алюминия А7Е и А5Е по ГОСТ 11069.
  • Однако, согласно ГОСТ 15176 прессованные электротехнические шины могут быть изготовлены как из различных марок алюминия (А5, А5Е, А6, А7, АД00, АД0), так и из алюминиевого сплава АД31 в состояниях Т, Т1 и Т5.
  • За рубежом, например, в США, электротехнические шины также изготавливают  как из марки алюминия 1350 (АД0Е), так и из алюминиевого сплава 6101, а также сплавов 6063 и 6061 [1].
  • Стоит также отметить, что за рубежом провода и кабели изготавливают не только из марки алюминия 1350, а также из сплавов 8030 и 8176. Эти сплавы могут иметь  содержание железа до 1,0 % и меди – до 0,30 %. Такие провода и кабели начали производить также и в России (см. подробнее здесь).

Лом пищевого алюминия

К «пищевому алюминию» обычно относят штампованную алюминиевую посуду: кастрюли, чайники, миски, ложки, кружки, сковородки и т. п. Популярным видом «пищевого алюминия» являются также 40-литровые молочные фляги.  Иногда в пищевой алюминий включают также и литую кухонную посуду (рисунок 1).


Рисунок 1 – Лом пищевого алюминия [3]

Штампованная кухонная посуда

По ГОСТ 17451 на штампованную алюминиевую посуду все компоненты посуды, которые непосредственно контактируют  с пищевыми продуктами изготавливают из марок алюминия АД1, АД, А7, А6, А5 и А0.

Однако по этому же ГОСТ 17451:

  • при наличии внутреннего покрытия посуду допускается изготавливать из листов и лент из алюминиевого сплава АМц (3003), который содержит от 1,0 до 1,5 % марганца.

Ручки, дужки и ушки допускается изготавливать:

  • из любых алюминиевых сплавов по ГОСТ 4787
  • из нержавеющих сталей, цветных металлов, сталей с защитно-декоративными покрытиями.

Алюминиевые молочные фляги

По ГОСТ 5037 для изготовления штампованных алюминиевых молочных фляг, которые часто называют «бидонами», применяют (рисунок 1):

  • корпус и крышка:
    – марки алюминия А7, А6, А5, А0, АД0, АД, АД1, АД0 в различных состояниях;
  • опорный обруч:
    – стальной лист толщиной 2 мм или
    – марка алюминия АД1 или
    – алюминиевые сплавы АМц, АМг1 и АД31;
  • ручки, верхний обруч и арматура:
    – тонколистовая сталь или
    – любые марки алюминия и алюминиевые сплавы по ГОСТ 4784.

Рисунок 2 – Алюминиевая 40-литровая молочная фляга [ГОСТ 5037-97]

Поэтому алюминиевые молочные фляги  перед отправкой их в «пищевой» алюминиевый лом требуют трудоемкой подготовки по удалению всех “неалюминиевых” деталей. Нелишне заметить, что по этому же ГОСТ 5037 изготавливают и стальные молочные фляги, которые имеют похожий внешний вид.

Литая кухонная посуда

Литая алюминиевая кухонная посуда (кастрюли, сковородки, казаны, ложки-вилки – рисунок 3) состоит из следующих литейных алюминиевых сплавов:

  • корпусы и крышки: из литейных сплавов АК5М2, АК7, АК12
  • крышки также: из марок алюминия АД1, АД, А7, А6, А5, А0.

Рисунок 3 – Алюминиевый литой казан [ГОСТ Р 51162-98]

Литейные сплавы отличаются высоким содержанием кремния. Сплав АК5М2 содержит до 3,5 % меди.

Лом нелегированного алюминия

Эта категория алюминиевого лома обычно включает листы, ленты, трубы и, иногда, профили. По внешнему виду и по прочности их легко перепутать с аналогичными листами, лентами, трубами и радиаторами из алюминиево-марганцевых сплавов серии 3xxx, которые содержат до 1,5 % марганца. Уровень прочность этих сплавов где-то на 20 % выше, чем у марок нелегированного алюминия.

Заметим, что ошибочное применение сплавов серии 3ххх вместо марок нелегированного алюминия, например, для приготовления сплавов 6060 и 6063 приведет к чрезмерному содержанию в расплаве марганца, который является в них нежелательной примесью с пределом содержания до 0,10 %.

Лом алюминиевых профилей

Среди прессованных алюминиевых профилей могут встречаться сплавы из нескольких различных серий, которые могут быть не совместимыми, например, с самыми популярными сплавами для профилей – сплавами 6060 и 6063:

  • 2014 и 2024 – содержание меди до 5,0 %, марганца – до 1,2 %. Не годятся для приготовления сплавов 6060 и 6063: слишком много меди и марганца. Применяются в самолетостроении. Очень трудно прессуются, поэтому имеют простые формы поперечного сечения с толстыми стенками.
  • Сплавы серии 5ххх: содержание магния до 4,0 % и марганца – до 1,0 %. Повышенное содержание марганца ограничивает применение для приготовления, например, сплавов 6060 и 6063. Чем выше содержание магния, тем  труднее прессуются. Имеют простые формы поперечного сечения.
  • 6060 и 6063 (АД31) – содержание марганца, меди, хрома и цинка не более 0,1 %. Могут иметь сложные формы поперечного сечения, в том числе, с несколькими полостями и тонкими стенками. Массово применяются для изготовления рам окон и дверей, а также фасадных конструкций.
  • 6061 (АД33) – содержание железа до 0,7 % и меди – до 0,40 %. Содержание кремния и магния в 1,5-2 раза выше, чем у сплавов 6060 и 6063. Трудность прессования – средняя, профили имеют простые поперечные сечения.
  • 6082 (АД35) – содержание марганца до 1,0 % ограничивает применение для сплавов 6060 и 6063. Профили имеют простые поперечные сечения.
  • 7005 (1915) – профили из этого сплава применялись раньше для изготовления ограждающих конструкций, например, витражей. До недавнего времени сплав 1915 включался в ГОСТ 22233 в качестве материала для ограждающих конструкций. Содержит до 5,0 % цинка.

Сортировка алюминиевого лома с идентификацией сплавов

В настоящее время для сортировки металлов и их сплавов в «полевых» условиях, то есть непосредственно на складе алюминиевого лома, применяют два метода анализа химического состава алюминиевых сплавов:

Портативные рентгено-флуоресцентные спектрометры применяются для идентификации и анализа металлов уже около 40 лет. За эти годы эти ручные спектрометры прошли путь от тяжелого прибора, который нужно было носить на спине, до высокоточного прибора размером с небольшую дрель. Портативные лазерные спектрометры появились относительно недавно – в последние 10 лет. Оптико-эмиссионные спектрометры (OES) имеют несколько большие размеры, чем рентгеновские и лазерные спектрометры. Поэтому их удобнее применять в лаборатории, а не в полевых условиях склада металлического лома или шихтового двора литейного предприятия.

Что дает сортировка алюминиевого лома с идентификацией сплавов:

  • предотвращение загрузки в расплав нежелательных загрязнений и легирующих элементов;
  • внесение в расплав нужных легирующих элементов в заданных количествах;
  • разделение сплавов с высокой и низкой ценностью;
  • приготовление сплавов заданных узких интервалах химического состава;
  • идентификация внутри серий алюминиевых сплавов с повышением ценности лома из отдельного сплава.

Источники:

1. Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993.
2. Advancements in Handheld XRF Technology Improve Scrap Sorting and Segregation /J. Margalit – 20th Intern. Recycling Aluminium Conference, 2012, Salzburg, Austria.
3. http://xlom.ru/vidy-metalloloma/lom-alyuminiya-vidy-opisanie-ceny/