Chladenie sterov vznikajúcich pri tavení a odlievaní hliníka a jeho zliatin

Richard Kafka - Milan Novák, ZSNP, n. p. Žiar nad Hronom

Článok bol publikovaný v celoštátnom časopise Slévarenství  2/1988 a riešenie získalo prvú cenu v celoštátnej súťaži o úsporu kovov a energie na Ministerstve Hutníctva a ťažkého strojárenstva v Prahe.  Zariadenie bolo inštalované a pracovalo v odlievárni hliníka nár. pod. ZSNP v Žiari nad Hronom

Efektívnejšie spracovávanie hliníka v tekutej fáze (tavenie, rafinácia a odlievanie) je podmienené jeho vysokou afinitou ku kyslíku, a teda vznikom oxidov, ktoré na jednej strane predstavujú metalurgické nečistoty a na druhej strane straty hliníka oxidáciou. Oxidáciou hliníka sa stráca od 0,5 do 15 % hliníka podľa druhu spracovávanej vsádzky (kusový a drobný znečistený materiál) a druhu taviacich zariadení.

Zo vzniknutého oxidu hlinitého a oxidov legujúcich prísad v prípade spracovávania hliníkových zliatin a rafinačných solí (prevažne na báze chloridov a fluoridov alkalických kovov) vznikajú na povrchu taveniny, tzv. stery, ktorých množstvo je závislé hlavne na spôsobe rafinácie, teplote a druhu taveniny (čistý Al, AlSi zliatiny, AlMg zliatiny), spôsobe odoberania sterov, type pecného agregátu a od použitia vycedzovacích solí. Ako pri ručnom, tak aj pri mechanizovanom odoberaní sterov z povrchu taveniny obsahujú stery ešte značné množstvá hliníka v množstve 30 až 80 %.

Ešte pred 15 rokmi väčšina výrobcov hliníka považovala stery za málo závažný problém pri spracovaní tekutého hliníka a jeho zliatin. Spravidla sa skladovali ako odpad mimo závodov pri minimálnych nákladoch. Problém sa obyčajne riešil tak, že skladované stery sa periodicky odpredávali na ďalšie spracovanie špecializovaným spracovateľským závodom, no skutočnosťou je, že skladované stery mali následkom oxidácie výrazne znížený obsah kovového hliníka, hlavne vplyvom atmosférických zrážok. Až v posledných obdobiach, keď neustále rastú problémy so zabezpečovaním energie, surovín a v neposlednej miere sa prejavujú aj zvýšené nároky na čistotu ovzdušia a vôd nútia závody, ktoré sa zaoberajú spracovaním hliníka, riešiť problémy spracovávania sterov. Spracovávanie sterov priamo tam, kde vznikajú, má značný ekonomický, ekologický a sociálny význam, pretože vytvára predpoklady pre využívanie a spracovávanie priemyselných odpadov, už bez toho, aby sa vyvážali na haldy a negatívne ovplyvňovali životné prostredie.

V prípade voľného chladenia hliníkových sterov a sterov z hliníkových zliatin, čo bola doteraz bežne používaná technológia, sa obsah kovového hliníka zníži o 20 až 30 %. Proces voľného chladenia prebieha v dvoch etapách, pritom v I. etape následkom oxidácie hliníka sa zvýši teplota až na 2000 °C za vzniku exhalátov na báze fluóru a chlóru. Po ochladení sterov a zoxidovaní kritického množstva hliníka sa proces zastaví. V II. etape, v prípade atmosférických zrážok unikajú zo skladovaných sterov amoniálne výpary, vznikajúce rozkladom nitridov hliníka, ktoré vznikli v I. etape procesu následkom vysokých teplôt. Ďalej dochádza k vylúhovaniu chloridov a fluoridov a znečisťovaniu podzemných vôd a vodných tokov. Skladovaním sterov dochádza k znehodnocovaniu kovového hliníka, pričom vznikajú soli hliníka (chloridy a fluoridy). Samotná manipulácia s horúcimi stermi je zdrojom častých pracovných úrazov.

Tieto okolnosti viedli k tomu, že v Závode Slovenského národného povstania v Žiari nad Hronom bola v roku 1983 vyvinutá a uvedená do prevádzky technologická linka na chladenie hliníkových sterov a sterov z hliníkových zliatin, ktorá zabezpečuje vysokú výťažnosť a minimálne straty kovového hliníka, ktorý sa do sterov dostáva ručným alebo mechanizovaným sťahovaním z hladiny tekutého hliníka.

Technologická linka na spracovanie horúcich sterov, s linkou na komplexné spracovanie sterov tvorí uzatvorený technologický cyklus bez technologických odpadov. Táto linka rieši:

• vycedenie hliníka, ktorý sa vibráciami pri transporte oddelí od sterov (zmes oxidov, chloridov, fluoridov alkalických kovov a hliníka).
• Prudké ochladenie sterov zabráni oxidácii hliníka, pričom je chladiaci bubon upravený tak, že zadržuje ochladený materiál v bubne, čím dochádza k autogénnemu chladeniu horúcich sterov. Súčasne sa tu zabráni vzniku veľkých zliatkov, s ktorými je obtiažne manipulovať pri ďalšom spracovávaní.
• Pri chladení dochádza aj k prvej separácii, pričom frakcie nad 15 mm odchádzajú do autogénneho mlyna.
• Mletie sterov tak, aby sa z týchto vymleli kovové oxidy a soli a získal sa hliník s kovnatosťou okolo 95 %.
• Celá linka je odsávaná, pričom splodiny sú zneškodňované v tkaninovom filtri FKA 12/300.

Technologická schéma chladenia sterov je na obr. 1.

Obr. 1 Schéma zariadenia na chladenie sterov z hliníkovej taveniny

Popis linky je nasledovný:

Stery vznikajúce v odlievarni hliníka sa sťahujú z povrchu roztaveného kovu do transportných bední (1). Vysokozdvižnými vozíkmi sa vozia na hydraulický vyklápací stojan (2), kde sa sypú cez mreže odsávacou násypkou (4) do rotačného chladiča (5). Počas vyklápania bedne so stermi dôjde k čiastočnému vycedeniu tekutého kovu do kokily (3), ktorý sa zhromaždil počas sťahovania sterov z povrchu kovov a ich transportu na miesto spracovania na dne kónicky vymurovaných bední (1).

Vonkajší plášť rotačného chladiča (5) je kropený vodou. Vo vnútri chladiča sú dva druhy lopatiek, ktoré zabezpečujú intenzívnejšie miešanie materiálu a regulujú dĺžku pobytu materiálu v chladiči. Mimoriadne dôležité je zabezpečenie správnej funkcie lopatiek, aby nedochádzalo k ich zalepovaniu tekutým kovom. To možno ovplyvniť tvarom a rozmiestnením lopatiek, sklonom a otáčkami chladiča, ako aj kvalitou dávkovaných sterov a stupňom ich predbežného vycedenia. V chladiči dôjde nielen k rýchlemu ochladeniu sterov, ale aj k ich predbežnému rozdruženiu.

Na studenej hlave sa perforovaným plášťom chladiča odsitujú frakcie sterov pod 15 mm.

Hrubozrnné podiely sterov sa skipovaným dopravníkom (6) dostávajú do medzizásobníka (7), odkiaľ sa periodicky dávkujú elektromagnetickým vibračným žľabom (8) spojeným s otočnou násypkou (9) do guľového mlyna s roštovým plášťom (10). Mlyn je upravený výrobok Přerovských strojíren, n. p., typového označenia AM 1,6. Podsitná frakcia z mlyna sa spája s podsitnou frakciou z chladiča a sú spoločným korečkovým elevátorom (13) dopravené do zásobného sila (14). Stupeň naplnenia mlyna materiálom sa kontroluje podľa veľkosti odoberaného príkonu pohonového elektromotora.

Vyprázdnenie mlyna sa robí prestavením otočnej násypky (9) podobne ako pri stacionárnych miešačkách na betónové zmesi. Materiál padá na šikmý tyčový rošt (10), kde sa oddelia oceľové gule od kúskov hliníka. Gule sa zhromažďujú v nádobe skipového dopravníka, z ktorého sa pri nasledujúcom mlecom cykle znovu nadávkujú do mlyna. Kovový hliník prepadajúci cez rošt je gumovým transportným pásom dopravovaný do kontajnera (12). Chladič, mlyn a všetky transportné trasy sú odsávané a prachy sú zachytávané v troch 4-komorových sekciách tkaninového filtra, výrobku ZVVZ, n. p., Milevsko, typového označenia 12/300.

Tab. I. udáva základné technické a technologické parametre linky na chladenie sterov. Linka má v súčasnej dobe už 3 roky v bezporuchovej prevádzke a prakticky vyriešila problém pracovného a životného prostredia, výrazne sa zlepšila bezpečnosť práce.

V tab. II. je uvedená bilancia získaného hliníka rok pred uvedením linky do prevádzky a rok prevádzkovania linky, z ktorej je vidieť množstvo získaného hliníka. Celkový ekonomický prínos sa prejavil v lepšom využití hliníka za 6 mil. Kčs pri návratnosti 0,24 roka, pričom nevznikli nároky na pracovné sily. Celkove sa potvrdila zahraničná skúsenosť, že kovnatosť sterov po vychladnutí sa zvýšila o 25 %.

Linky na chladenie horúcich sterov by bolo vhodné realizovať aj v iných podnikoch spracovávajúcich hliník odlievaním.