Способ переработки фильтр-остатков, образующихся при производстве алюминия и его сплавов
Владельцы патента RU 2339711:
Открытое акционерное общество "Сибирский научно-исследовательский, конструкторский и проектный институт алюминиевой и электродной промышленности" (ОАО "СибВАМИ") (RU)
Изобретение относится к способу переработки фильтр-остатков, образующихся при производстве алюминия и его сплавов. Способ включает предварительную обработку фильтр-остатков, шихтовку сплава, плавку и разливку. Предварительную обработку фильтр-остатков осуществляют раствором неорганической кислоты, например серной с концентрацией не более 20%. Материал фильтра растворяется, а металл выделяется в виде металлической губки, которую направляют в производство сплавов на основе алюминия. Полученный раствор фильтруют с целью извлечения мелкодисперсного корунда. Профильтрованный сернокислый раствор нейтрализуют негашеной известью с получением гипса. Обеспечивается сокращение безвозвратных потерь металла в процессе разливки алюминия и его сплавов, использование алюминия из фильтр-остатков в производстве товарного алюминия. 2 з.п. ф-лы.
Предлагаемое техническое решение относится к цветной металлургии, конкретно к способу переработки фильтр-остатков, образующихся при производстве алюминия и его сплавов.
Существующий способ транспортировки жидкого алюминия от электролизеров до литейного участка включает следующие операции: выливка алюминия-сырца из электролизеров в вакуумный ковш, перелив расплава из вакуумного ковша в транспортный и из транспортного ковша в миксер. При этом высокая температура и большая высота падения струи металла, а также эжекция пузырьков воздуха струей переливаемого металла в объем перелитого металла способствуют интенсивному его окислению. Помимо окисных включений в металл могут попадать частички электролита, огнеупоров футеровки ковшей и другие нерастворимые включения, наличие которых ухудшает качество получаемой продукции.
Из уровня техники известно, что очистку расплава алюминия от нерастворимых включений осуществляют фильтрацией. В качестве фильтров используют различные материалы. В настоящее время применяются пенокерамические фильтры, основными составляющими которых являются Al2O3 и SiO2. Данный фильтр представляет собой пластину толщиной 50 мм, которая характеризуется значительным количеством взаимосвязанных каналов, равномерно распределенных по всему объему. При прохождении расплава по этим лабиринтам каналов на их стенках задерживаются нерастворимые частицы. В связи с этим проходное сечение каналов уменьшается, что повышает степень очистки. Однако уменьшение проходного сечения каналов способствует задержке металла в теле фильтра, что снижает производительность процесса фильтрации и разливки металла. После окончания фильтрации оставшийся фильтр-остаток содержит от 3 до 5 кг металла. Учитывая объемы фильтруемого металла, потери его с фильтр-остатками ежегодно составляют десятки тонн.
Высокая степень очистки расплава, простота в эксплуатации и доступная цена сделали пенокерамические фильтры весьма популярными на заводах по производству алюминия. Однако, несмотря на все достоинства пенокерамических фильтров, тот факт, что с фильтр-остатками теряется значительное количество металла, является их существенным недостатком.
В настоящее время пенокерамические фильтры после фильтрации 20-25 тонн металла меняют, а фильтр-остатки складируют как отходы, что приводит к значительным потерям металла.
При этом проблема извлечения оставшегося металла из фильтр-остатков и возврат его в литейное производство остается не решенной.
Известен способ регенерации отработанных пенокерамических фильтров по патенту FR 2751957 «Не загрязняющий среду способ восстановления керамических деталей, использованных при выплавке алюминия» (МПК С04В 41/91). Данный способ восстановления керамических изделий заключается в их химической обработке при температуре 30-95°С реактивом, позволяющим перевести в раствор алюминий, оставшийся на керамическом фильтре, в последующем отделении нерастворенных остатков фильтрации, после чего производится термообработка фильтров при температуре более 300°С (предпочтительно 600-900°С). Реактивом служит сильная кислота или щелочь, в частности NaOH. Отделение нерастворенных остатков осуществляется дополнительной промывкой минеральной кислотой и водой.
Данный способ позволяет многократно использовать пенокерамические фильтры, но при этом алюминий переводят в раствор, а для получения его в виде металла требуются дополнительные технологические операции. Также недостатком способа является необходимость использования в процессе восстановления керамических изделий горячих сильных щелочей или кислоты, что требует специального, устойчивого к агрессивным средам оборудования, а также дополнительного оборудования для защиты персонала и создания безопасных условий работы.
Другим недостатком данного способа является необходимость проведения термообработки фильтров при температурах выше 300°С, что также требует специального оборудования и увеличивает энергозатраты.
Из уровня техники известен «Способ переработки фильтр-остатков при производстве силумина» (а.с. №456011, МПК С04В 41/91). Данный способ переработки фильтр-остатков включает их предварительную обработку, которая заключается в сплавлении фильтр-остатков с алюминиево-кремниевым сплавом в соотношении 4:1 и последующей корректировке полученного расплава чистым алюминием до заданного содержания кремния.
По технической сущности и достигаемому результату данный способ является наиболее близким аналогом и принят в качестве прототипа.
Данный способ переработки фильтр-остатков позволяет снизить потерю металла. Однако его недостатком является возможность использовать фильтр-остатки только в приготовлении алюминиево-кремниевых сплавов, так как в способе не происходит разделения алюминия и материала фильтра.
Задачей технического решения является повышение технико-экономических показателей процесса разливки алюминия и его сплавов в части сокращения безвозвратных потерь металла.
Техническим результатом изобретения является возможность использования алюминия из фильтр-остатков в производстве товарного алюминия.
Технический результат достигается тем, что в способе переработки фильтр-остатков, образующихся при производстве алюминия и его сплавов, включающем предварительную обработку фильтр-остатков, шихтовку сплава, плавку и разливку, предварительную обработку фильтр-остатков осуществляют раствором неорганической кислоты с последующей нейтрализацией полученного раствора, например, известью. В качестве раствора неорганической кислоты может быть использован раствор серной кислоты с концентрацией не более 20%, а перед нейтрализацией раствор может быть отфильтрован.
Техническая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. После фильтрации алюминия или его сплавов в фильтр-остатке задерживается помимо включений большое количество металла. Чтобы извлечь металл, фильтр-остаток обрабатывают раствором неорганической кислоты, например серной с концентрацией не более 20%. При повышении концентрации серной кислоты скорость протекания процесса изменяется незначительно, но в значительной мере увеличиваются требования к оборудованию и защите обслуживающего персонала. Под воздействием раствора кислоты растворяется материал фильтра, а металл выделяется в виде металлической губки. Данная металлическая губка направляется в производство сплавов на основе алюминия.
Полученный сернокислый раствор фильтруют с целью извлечения осадка, представляющего мелкодисперсный корунд, использующийся в производстве огнеупорных покрытий.
Профильтрованный сернокислый раствор направляют на нейтрализацию, например, известью. В результате получают третий товарный продукт - гипс.
Сходными признаками предлагаемого способа и способа-прототипа являются:
- материал на переработку которого направлен предлагаемый способ и способ по прототипу;
- извлечение металла из фильтр-остатков и возвращение его в производство;
- цель способов - возвращение алюминия в товарный сплав;
- перед использованием в приготовлении сплавов фильтр-остатки в обоих способах подвергают предварительной обработке;
- материал фильтр-остатков в обеих технологиях используют для подшихтовки товарной продукции.
Отличия предлагаемого способа от прототипа заключаются в том, что:
- предварительную обработку фильтр-остатков осуществляют раствором неорганической кислоты, например серной, с целью разделения алюминия и материала фильтра. В заявляемом способе материал фильтра переводится в раствор, а алюминий, задержанный фильтром, представляет из себя губчатый материал. В прототипе предварительная обработка заключается в сплавлении материала фильтра и уловленного алюминия с получением алюминиево-кремниевого сплава;
- из полученного раствора последовательно фильтрацией и нейтрализацией выделяются дополнительно еще два товарных продукта: мелкодисперсный корунд и гипс.
Таким образом, предлагаемая технология позволяет разделить фильтр-остатки на три продукта:
алюминий, который может быть использован в приготовлении широкого диапазона алюминиевых сплавов;
мелкодисперсный корунд, являющийся дорогостоящим компонентом огнеупорных покрытий, и
строительный гипс.
Способ по прототипу не предусматривает разделение фильтр-остатков на отдельные составляющие, а позволяет в результате переработки получить алюминиево-кремниевый сплав, который в дальнейшем может быть использован в производстве алюминиево-кремниевых сплавов.
Принимая во внимание вышеизложенное, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности изобретения - «новизна».
С целью определения «уровня техники» был проведен поиск по патентной и научно-технической литературе. В процессе проведенного анализа выявлено, что принципиально отдельные признаки объекта защиты известны.
Так известен способ обработки фильтр-остатков кислотой по патенту FR №2751957 «Не загрязняющий среду способ восстановления керамических деталей, использованных при выплавке алюминия» (МПК С04В 41/91). Однако данный способ направлен на очистку фильтр-остатков от металла за счет перевода уловленного алюминия в раствор. В предлагаемом способе в раствор переводятся компоненты фильтр-остатков, а уловленный алюминий не меняет своего агрегатного состояния.
Другим отличием известного способа от предлагаемого является использование сильной кислоты, тогда как в предлагаемом используется раствор, например, серной кислоты с концентрацией не более 20%.
В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся идентичными или эквивалентными признаками предлагаемому решению, а именно:
- не выявлен способ, согласно которому технологические действия направлены на растворение керамического фильтра для выделения алюминия. Фильтр по заявленному способу используется однократно;
- не выявлены способы извлечения из керамических фильтров мелкодисперсного корунда, являющегося дорогостоящим сырьем для получения огнеупорных покрытий;
- не выявлен способ растворения керамики слабыми кислотами;
- не выявлены способы, позволяющие получать несколько товарных продуктов, причем хвосты реализации способа не являются токсичными.
Основное достоинство данного способа - снижение безвозвратных потерь металла.
Данный способ переработки был опробован на фильтр-остатках от фильтрации алюминия через пенокерамический фильтр на Иркутском алюминиевом заводе.
Пример реализации способа.
На проведение лабораторных испытаний взято три фильтр-остатка общим весом 13 кг.
Готовился раствор серной кислоты с концентрацией 7%. Расход кислоты на проведение испытаний 5 кг.
Растворение осуществляется в следующей последовательности:
1) в емкость с помещенными в нее фильтр-остатками заливается 5 кг 7%-ного раствора серной кислоты;
2) через 30-60 мин раствор сливается, а губчатый алюминий промывается водой;
3) полученный раствор фильтруется с целью извлечения мелкодисперсного корунда;
4) в оставшийся раствор добавляется стехиометрическое количество негашеной извести, приблизительно 1 кг, при этом в осадок выпадает сульфат кальция (гипс), а нейтрализованный раствор удаляется через канализацию.
Проведенные лабораторные испытания позволяют рекомендовать данный способ переработки фильтр-остатков в промышленных масштабах, в результате чего происходит утилизация отходов с извлечением ценных компонентов: губчатого алюминия, мелкодисперсного корунда и строительного гипса.
1. Способ переработки фильтр-остатков, образующихся при производстве алюминия и его сплавов, включающий предварительную обработку фильтр-остатков, отличающийся тем, что предварительную обработку фильтр-остатков осуществляют раствором неорганической кислоты с последующей нейтрализацией полученного раствора известью.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную обработку фильтр-остатков осуществляют раствором серной кислоты с концентрацией не более 20%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный раствор перед нейтрализацией фильтруют.
