Az alumínium visszanyerése ultrahangos besugárzás segítségével

Átírás

1 NEMVASFÉMEK, NEMES- ÉS RITKAFÉMEK HULLADÉKAI 3.1 Az alumínium visszanyerése ultrahangos besugárzás segítségével Tárgyszavak: alumíniumötvözet; olvasztás; forgókemence; sómentes eljárás; száraz eljárás; nedves eljárás; kísérletek; ultrahangos kezelés. Az alumíniumötvözetek nagy költsége és a nagy hozzáadott érték miatt az elmúlt 10 évben jelentős fejlődés mutatkozott az alumíniumhulladékok hatékony és környezetkímélő újrahasznosítási technológiáiban. Főképpen két újrahasznosítási módszer van használatban, az egyik az alumíniumtartalmú anyag megolvasztása kétterű kemencében (KAK), a másik a megolvasztás forgókemencében (FK). Az utóbbi inkább alkalmas az alumíniumhulladék és a különböző kis alumíniumtartalmú maradékok feldolgozására. A következő feldolgozási módok lehetségesek: megolvasztás sómentes környezetben, ill. megolvasztás só hozzáadásával. A só hozzáadása az ún. nedves eljárásnál tömegre közelítőleg azonos mennyiségben történik, mint amennyi a maradék és a hulladék mennyisége. Az új ún. száraz eljárás csak a felét vagy annál is kevesebb sómennyiséget igényel, mint amennyi a nedves eljárásnál kell. A nedves eljárás a FK-re vonatkozó számos innovációs lépés eredménye. A száraz eljárásra újratervezett FK neve buktatható forgókemence, (BFK), ill. forgó dobkemence (FDK). Ez az újfajta kemence jóval hatásosabb, és kisebb zajt jelent a környezet számára. Mindezek ellenére, akár a nedves, akár a száraz eljárást használjuk, mindig jelentős mennyiségű sótartalmú maradvány termelődik. Az alumíniumújrahasznosítás során a világon évenként mintegy 2,5 3,5 M t sós olvasztási maradék keletkezik, ami jelentős környezetvédelmi problémát jelent a finomítóknak, mivel a legtöbb európai országban ezt tilos lerakni. Még a legelőremutatóbb, sómentes környezetben működő újrahasznosítási technológiák is jelentős mennyiségű maradék oxidot termelnek, amelyet át

2 kell alakítani értékes termékekké. Ez az oka a sótartalmú olvasztási maradékok és maradékoxidok különböző konverziós folyamatai kutatásának. A legkifizetődőbb újrahasznosítási folyamatnak majdnem teljes fémviszszanyerést kell biztosítania, nem szabad lerakást igénylő maradékokat szolgáltatnia, és környezetkímélőnek kell lennie. A sómentes alumíniumhulladék-olvasztás az elektromágneses szivattyúzással összekapcsolt kétterű kemencében majdnem teljesíti a fenti elvárásokat, ám ez a berendezés nem alkalmas az alumínium visszanyerésére az alumíniumhulladékból és a kis alumíniumtartalmú alumíniummaradékokból. Jelenleg az alumíniumhulladékból történő alumíniumötvözet-visszanyerés és salakleszedés folyamata sómentes eljárásának kifejlesztése folyamatban van. A sós salak eltávolítása a BFK-ből az alumíniumvisszanyerésben jelentős veszteséget okoz, aminek az az eredménye, hogy a száraz eljárás valószínűleg kifizetődőbb, mint a jelenlegi sómentes folyamat. Az alumíniumhulladékból történő alumíniumvisszanyerés hatékonyságát (AVH) erősen befolyásolja a benne lévő fázisok elválasztásának hatásfoka, azaz az olvadt alumínium elválasztása a maradékoxid fázistól, valamint az aluminotermikus folyamat veszteségeinek megfelelő csökkentése. Az aluminotermikus folyamat főként akkor okoz gondot, amikor kisebb sómennyiséggel történő olvasztás (tehát az ún. száraz folyamat) történik, és különösképpen amikor az alumíniummaradékok olvasztása ún. sómentes folyamatban történik. Az aluminotermikus folyamat által okozott veszteségek folyamatosan csökkenthetők a számítógéppel vezérelt olvasztókemence üzemeltetésének és a kemence atmoszférájának megfelelő tervezésével, ám a finom zárvány alumíniumrészecskék okozta veszteségek csakis az olvadt alumíniumnak az oxidfázistól való teljes elválasztásával minimalizálhatók, azaz az olvadt fém egyes cseppjei spontán koaleszcenciájával, aminek során a cseppek akkumulálódásával olvadt alumíniumfázis jön létre. Különböző újabb tanulmányok azt mutatják, hogy az olvadt alumínium egyes egyedi cseppecskéi spontán koaleszcenciájának fő akadálya a vékony felületi oxidréteg, amely meggátolja a koaleszcenciát. Ezért minden olyan kezelés, amely segíti ennek a védő oxidfilmnek a megszüntetését, ill. leválasztását, jelentősen növeli a fémkihozatalt. Az alumíniumhulladék sómentes feldolgozásánál a fémcseppeket körülvevő oxidfilmet mechanikusan, a konverter intenzív és hosszú ideig tartó forgatásával távolítják el. Ha nincs egyáltalán salakozósó, az olvadék oxidációja az oxigéntartalom gondos ellenőrzésével kerülhető el a forgókemence atmoszférájában, vagyis, a nedves és a száraz folyamatkezelés salakozósót használ, a sómentes módozat viszont az ellenőrzött kemenceatmoszféra segítségével előzi meg az olvadék oxidálódását. Bár a különböző ismert sómentes folyamatok ígéretes eredményeket mutattak az alumíniumhulladékból történő alumíniumvisszanyerésre, az ipari alkalmazások mégis még korlátozottak a kemencebélés magasszintű karban-

3 tartási igénye, a védő oxidhártyának az olvadt fémről történő nem tökéletes eltávolítása által okozott nem kielégítő fémkihozatal, valamint a kemencefalon igen gyakran képződő és rajta megtapadt oxidmaradékok eltávolításához szükséges nagy állásidők miatt. A hulladék nemfémes alkotóiban lévő finom vagy relatíve nagyobb szuszpendált cseppek miatt értékes fémveszteség különösen érinti a másodlagos alumíniumipart. A nedves és a száraz újraolvasztási folyamatban ezek a veszteségek meghaladják a 10%-ot, ami óriási anyag- és energiaveszteséget jelent. Hogy növelhető legyen a fémvisszanyerés kihozatala és fejlődjék az alumíniumhulladék sómentes újrahasznosítási folyamatának hatékonysága, a szerzők tanulmánya az oxidfilm olvadt fémcseppekről történő eltávolításának egy új, ultrahangos besugárzással történő lehetőségét mutatja be. Kísérleti rész A kísérletek mullittégelyben történtek, amely a mintegy 2 dm 3 hasznos térfogatú forgó dobkemence testét képezte (1. ábra). A tégely hevítése hőmérsékletszabályzóval összekötött elektromos ellenállásfűtéssel történt. A tégely el volt látva egy olyan, a forgatást és tégelybuktatást biztosító mechanizmussal is, amely megfelelő széles helyzetintervallumban biztosítani tudta az optimális olvasztást és dekantálást. A forgatást egy 0 20 fordulat/min körsebességet lehetővé tevő axiális meghajtó mechanizmus biztosította. A tégelyt mullitlemez fedte, három bevezetőcsővel, az egyik a CO 2 bevezetésére és az elhasználódott gáz eltávolítására, a másik kettő a két hőelem bevezetésére szolgált. Egyik a tégely falának hőmérsékletét, a másik pedig a belső hőmérsékletét mérte. Az összes elvégzett kísérletben a tégely álló kiindulási helyzetben 15 fokkal tért el a függőlegestől, forgási sebessége 15 fordulat/min volt, hacsak nem volt más speciális kísérleti igény. A kísérletekben felhasznált alumíniumhulladékot 6061 jelű ötvözetből forgácsolták, és Altek S720-as présben tömörítették össze. Egy az összenyomott hulladékból származó 400 cm 3 -es porított alumíniumhulladék adagot vittek be a kemencébe, a tégelyt lezárták a mullitlemezzel, és folyamatosan CO 2 -ot áramoltatták át rajta 0,2±0,01 dm 3 /s sebességgel. A maximális mértékű hevítés addig tartott, amíg el nem érték az alumínium olvadáspontját, ezután a kívánt hőmérsékletet bizonyos ideig állandóan tartották. Az olvasztási művelet végén a mullitlemezt levették, és a tégely buktatásával leöntötték a folyékony fémet. A CO 2 átvezetését leállították, ezután a maradékot további buktatással és forgatással, ill. ha szükséges volt, kivakarással ugyancsak eltávolították. Az alkalmazott fémvisszanyerési kísérletek a következők voltak:

4 a CO 2 bevezetésére szolgáló cső hőelem (HE-1) forgatóberendezés ultrahangos keverőegység (nem kötelezően szükséges) gázelvezetés mullit zárófedél mullittégely maradék olvadt alumínium elektromos ellenálláskemence hőelem (HE-2) buktatószerkezet 1. ábra Az alumínium-visszanyerésre használt berendezés vázlata Visszanyerés ultrahangos kezelés nélkül Nedves olvasztás; olvasztás a hulladék nemfémes anyagtartalmával azonos mennyiségű salakozósó hozzáadásával. Félnedves olvasztás a hulladék nemfémes anyagtartalma felével azonos mennyiségű salakozósó hozzáadásával. Száraz olvasztás; olvasztás a hulladék nemfémes anyagtartalma negyedével azonos mennyiségű salakozósó hozzáadásával. Sómentes olvasztás; olvasztás salakozósó hozzáadása nélkül.

5 Visszanyerés ultrahangos kezeléssel Félszáraz olvasztás ultrahangos kezeléssel. Száraz olvasztás ultrahangos kezeléssel. Sómentes olvasztás ultrahangos kezeléssel. Az összes végrehajtott kísérletben a HE-1 és a HE-2 hőmérséklete, valamint a tégelyben való tartózkodási ideje sorrendben 900±25 C, 800±50 C és 3 óra volt. Az ultrahangos kísérletekben 22 khz-es frekvenciát és 3 KW/cm 2 -es erőfluxust alkalmaztak. Abból a célból, hogy elősegítsék a védő oxidfilm eltávolítását az olvadt fémről, és így a cseppecskék koaleszcenciáját, az ultrahangos keverést fenntartották a kísérlet teljes időtartama alatt. A használt salakozósó ekvimoláris mennyiségű NaCl-ból és KCl-ból állt. Az alumíniumhulladékból történő visszanyerés mértékét a kiöntött anyag megszilárdulása után tömegméréssel, valamint a folyékony állapotú fém kiöntése után a tégelyben maradt alumíniummaradék mennyiségének mérésével állapították meg. A hulladék alumíniumtartalmának és a vissza nem nyert alumíniumnak a mennyiségét standard hidrogénfejlesztési művelettel határozták meg úgy, hogy ezeket 6 M-os sósavval feltárták, és mérték a közben felszabaduló hidrogén térfogatát. E mérés pontossága ±10 % volt. Az eredmények értékelése A fémvisszanyerésre használt mintákban meghatározott alumíniumtartalom 56 ±6% volt. Az alumíniumkihozatalt úgy számolták, hogy a tégelyből kiöntött alumínium tömegét elosztották az alumíniumhulladékban a hidrogénfejlődéses módszer alkalmazásával talált teljes alumíniumtartalommal. A kihozatal számításának másik módja a maradékban lévő, vissza nem nyert alumínium százalékos mennyiségének a meghatározása volt, amit ugyancsak a hidrogénfejlődéses módszerrel végeztek. A kihozatal számitása ekkor a következő képlettel történt: Kihozatal = 1 (vissza nem nyert Al)/a hulladék teljes Al-tartalma. A különböző kísérleti módszerekkel végzett műveletek során kapott alumíniumkihozatali értéket az 1. táblázat mutatja be. Bár a kísérletek során kapott eredmények előzeteseknek tekinthetők, mégis látható, hogy az alumíniumkihozatalra vonatkozó eredmények ultrahang alkalmazásakor jobbak. A javulások szignifikánsan jobbak kevesebb salakozósó hozzáadása és a tégely forgási sebességének csökkentése esetén. 15 fordulat/min forgási sebességnél az ultrahangos besugárzás által okozott kihozataljavulás 36%-nál is több. Az olvasztótégely 5 fordulat/min igen lassú forgásánál, az ultrahangos besugárzás esetén a sómentes visszanyerésnél tapasztalt kihozatal is 70% körüli volt. Ennek oka az, hogy az ultrahangos besugárzás alkalmas arra, hogy leválassza a védő oxidfilmet az olvadt

6 fémről, lehetővé téve ezzel a cseppek koaleszcenciáját, az oxidrészecskéknek a szuszpendált állapotban való tartását, a fém hatékony visszanyerését. Az alumíniumkihozatal aránya a különböző kísérleti folyamatokban 1. táblázat Alumínium-visszanyerési folyamat Visszanyerés ultrahangos besugárzás nélkül Al-kihozatal (%)* Vissza nem nyert Al (%)** Nedves olvasztás 80±8 22±3 Félszáraz olvasztás 73±8 31±4 Száraz olvasztás 64±7 37±4 Sómentes olvasztás 53±5 48±5 Visszanyerés ultrahangos besugárzással Nedves olvasztás 81±7 20±3 Félszáraz olvasztás 77±7 26±3 Sómentes olvasztás nagy fordulatszámon (15 ford/min) 72±8 27±4 Sómentes olvasztás kis fordulatszámon (5 ford/min) 69±8 24±4 *Az alumíniumvisszanyerés nagyságának megállapitása úgy történt, hogy a megszilárdult kiöntött fém tömegét mérték, és ezt elosztották a mintában meghatározott alumínium össztömegével. ** A maradékban visszamaradt, vissza nem nyert alumínium mennyiségének a megállapítása a minták 6 M-os sósavoldattal történt feltárásakor fejlődött hidrogén térfogatának mérése útján történt. A bemutatott értékek már a mintában lévő Al teljes tömegével történt osztás eredményei. (Dr. Berecz Endre) Kevorkijan, V.: Salt-free recovery of alumínium from alumínium dross assisted by ultrasonic irradiation. = Alumínium, 78. k. 5. sz p Kevorhijan, V.: Evaluating the aluminium content of pressed dross. = JOM: The Member Journal of the Minerals, Metals& Materials Society, 54. k. 2. sz p