Oxigenul la topirea aluminiului

Poza 1: Cuptoarele cu tambur rotativ cu arzătoare pe bază de oxigen măresc productivitateaFoto: Uzinele de prelucrarea metalelor Bender

Reciclarea aluminiului prin tehnologia OXIAL

Materialul aluminiu este în cea mai mare parte reutilizabil. Cotele sale de reciclare de 67 până la 92 % din industria automobilistică, sectorul construcţiilor, electrotehnică şi ambalaje sunt deosebit de ridicate. În funcţie de dimensiunea şi puritatea deşeurilor se utilizează diverse cuptoare. La topirea deşeurilor extracţia de metal, adică partea de metal recuperat, reprezintă criteriul determinant al rentabilităţii. Conceptele de topire adecvate, care au la bază arzătoarele cu oxigen sunt de ajutor în industria aluminiului secundar pentru reducerea semnificativă a costurilor. Pe lângă diversele arzătoare cu oxigen controlul procesului joacă un rol esenţial. Pentru succesul economic este nevoie de soluţii individuale, în funcţie de cuptor şi de materialul utilizat. Această contribuţie prezintă exemplificat progresele în redotarea cuptoarelor existente.

Reciclarea

Poza 2: Flăcările de arzător Quadraflo cu impuls scăzut asigură o bună acoperire a băii

Care este cuptorul potrivit ?

Datorită greutăţii sale reduse şi a bunei prelucrări, aluminiul este astăzi unul dintre cele mai importante metale utilizate. Pe lângă recuperarea primară a aluminiului, cu consum ridicat de energie, din minereu de bauxită reciclarea câştigă din ce în ce mai multă importanţă. Economia de energie implicită este atât de mare, încât se retopesc economic şi deşeurile cu un conţinut redus de metal, precum şi deşeurile nepurificate şi acoperite. În funcţie de material, pentru producerea de aluminiu secundar se utilizează diverse agregate de topire. Pentru aceasta partea de metal a deşeurilor, geometria deşeurilor, frecvenţa modificării aliajelor (adică modificarea compoziţiei deşeurilor) şi modul de utilizare al cuptorului determină alegerea procedurii optime detopire. Pentru deşeurile sărace în oxizi sau cu impurităţi organice agregatul de topire adecvat este cuptorul cu vatră fără adaos de sare. Deşeurile din bucăţi mari se topesc în cuptoare cu creuzetsau cu două camere. Prin inundarea deşeului cu metale lichide se reduce oxidarea aluminiului. De aceea în cuptoarele cu vatră poate fi topit cu o extragere ridicată chiar şi şpan.

La un procent ridicat de oxizi în deşeu şi o modificare frecventă a aliajului, cel mai bun agregat de topire este cuptorul cu tambur rotativ (poza 1). Aici se face distincţie între cuptoarele cu tambur rotativ fixe şi cele basculante. Se topeşte sub o zgură de sare. Stratul de sare eliberează oxizii, preluând impurităţile. Prin adaosul redus de sare în cuptorul cu tambur rotativ basculant se economiseşte energie şi zgură de sare. Pentru rentabilitate, la retopire este determinantă în principal extracţia de metal.

Aluminiul prezintă o afinitate ridicată faţă de oxigen şi de aceea formează repede oxizi, care se scot ca zgură. Pentru a menţine această pierdere la un nivel cât mai scăzut posibil trebuie minimizaţi următorii parametrii:

• conţinutul de oxigen din atmosfera cuptorului• temperatura aluminiului lichid• durata de menţinere în cuptor la temperaturi ridicate a topiturii• impurităţile din deşeuri Primii trei factori sunt influenţaţi de alegerea sistemului de arzătoare şi de controlul procesului.

Arzătoarele cu oxigen pentru topirea aluminiului

Prin utilizarea arzătoarelor cu oxigen în locul arzătoarelor cu aer creşte gradul de eficienţă termică din cuptorul de topit şi căldura utilă de topire. Messer Griesheim a elaborat diverse arzătoare cu oxigen pentru utilizarea la topirea metalelor. Pe lângă arzătoarele Oxipyr® din inox cu un impuls ridicat al flăcării se utilizează şi arzătoare Quadraflo cu un bloc ceramic. Toţi carburanţii uzuali precum gazele naturale, propanul, gazul sasol (gaz de sinteză), LPG (gaz petrolifer lichefiat), ţiţeiul uşor şi ţiţeiul greu sunt adecvaţi pentru arzătoarele cu oxigen.

Poza 3: Arzătoarele Quadraflo încălzesc un cuptor cu vatră de 100 tone, cu cameră separată de încărcare şi pompare

Arzătoarele Oxipyr® se utilizează în multe cuptoare ale industriei aluminiului secundar. Acestea susţin procesele de topire în cuptoarele cu vatră cu flacără, cuptoarele de topit cu cuvă şi cuptoarele cu tambur rotativ.Arzătoarele sunt răcite de regulă în mediu propriu, astfel încât o răcire cu apă este de prisos. Avantajele tipice ale arzătoarelor Oxipyr® sunt:• construcţia simplă pentru combustibilii gazoşi• aprinderea integrată şi supravegherea UV

• diversele forme ale flăcării prin dispunerea specială a duzelor• lungime reglabilă a flăcării la arzătoarele cu uleiPentru cuptoarele cu vatră sunt adecvate şi arzătoarele Quadraflo. Acest arzător constă dintr-un bloc ceramic şi o parte din inox. Blocul ceramic se încastrează în căptuşeala cuptorului. Flacăra care se compune la exterior ia naştere în faţa arzătorului şi protejează blocul ceramic împotriva supraîncălzirii, astfel încât nu este nevoie de o răcire (pozele 2 şi 3).

Prin alimentarea variabilă cu oxigen primar şi secundar impulsul flăcării poate fi modificat. Printr-un impuls mai mic flacăra se lungeşte iar acoperirea băii este mai mare. Avantajele tipice ale arzătorului Quadraflo sunt:• forma modificabilă a flăcării în timpul funcţionării (impuls ridicat/scăzut, flacără scurtă/lungă, respectiv conică/plată)• aprinderea directă, fără arzător de aprindere separat• răcirea nu este necesară

Un exemplu pentru flexibilitatea arzătorului Quadraflo este deplasarea continuă a flăcării. Prin aceasta se evită o supraîncălzire locală în cuptor şi, implicit, şi o oxidare prea puternică a aluminiului. Prin măsuri adecvate, precum surplusul temporar de oxigen sau recirculaţia gazelor reziduale prin intermediul suflantelor de gaz fierbinte,se poate reduce semnificativ emisia de monoxid de carbon, hidrocarburi şi oxizi de azot.

Poza 4: Uşa de încărcare rotativă împiedică pătrunderea aerului străin în cuptor

Arzătoarele Oxipyr® la cuptorul cu tambur rotativ (OXIAL-ROTARY-Process)

În Europa se utilizează multe cuptoare cu tambur rotativ la retopirea deşeurilorşi zgurii de aluminiu. Încă de la începutul anilor 90’ Messer a transformat la uzinele de metal Bender primul agregat de topire a aluminiului secundar pentru arzătoare cu ulei pe bază de oxigen. Datorită cheltuielilor energetice reduse aici se lucrează şi după comutarea pe arzătoare cu oxigen cu ţiţei greu. Tehnica de reglare pentru arzătoarele cu ţiţei pe bază de oxigen a fost elaborată special pentru utilizarea la cuptorul cu tambur rotativ. Astfel se pot utiliza diverse puteri ale arzătorului, în funcţie de materialul utilizat, de diversele reglaje anterioare pentru raportul de ardere.

Pentru trecerea cu succes la arzătoare cu oxigen trebuie avute în vedere îndeosebi următoarele puncte:• adaptarea puterii arzătorului pentru protejarea aluminiului împotriva supraîncălzirii• închiderea etanşă a uşii de încărcare a şarjei şi reglarea presiunii pentru evitarea pătrunderii aerului străin• poziţionarea şi stoichiometria arzătoruluiPentru împiedicarea consumurilor de energie şi emisiilor arzătorul a fost instalat în partea gazelor reziduale, lângă canalul de gaze reziduale (poza 1).

Cuptor cu tambur rotativ,cu arzător cu aer

Cuptor TTRFcu arzător cu oxigen

Capacitate [t] 20 14Factorul sare 1,2 0,35

Timp de topire [h] 6 3,5Consum de energie [kWh/t] 1100 380

Cantitatea de zgură [t] 13,6 12,4Cantitatea de sare [t] 6,4 1,6

Descărcarea de metal [t] 8,3 8,0Descărcarea de zgură [t] 11,4 6.0

Producţia [t/zi] 33 54

Tabelul 1: Comparaţia dintre cuptorul cu tambur rotativ şi cuptorul TTRF

Prin varierea stoichiometriei flăcării se evită emisiile de monoxid de carbon şihidrocarburi. Ca urmare a volumelor reduse de gaze reziduale ale arzătorului pe bază de oxigen se micşorează viteza de curgere a gazelor reziduale în cuptor. Prin aceasta se evacuează mai puţin praf şi mai puţină sare din cuptor. În plus, este nevoie de un reglaj suplimentar al presiunii cuptorului şi o uşă la cuptor, care să se închidă etanş, pentru aîmpiedica pătrunderea de aer străin.Poza 4 prezintă o uşă de încărcare nou construită, care se presează împotriva cuptorului şi se roteşte împreună cu aceasta.

Arzătoarele Oxipyr la cuptorul basculant cu tambur rotativ (OXIAL-TTRF-Process)

La cuptorul basculant cu tambur rotativ (TTRF = Tilt Type Rotary Furnace) seridică hidraulic întregul cuptor, metalul şi zgura de sare printr-o uşă mare a cuptorului (poza 5).

Poza 5: Cuptor cu tambur rotativ basculant de 14 tone, cu arzător cu gaze naturale, pe bază de oxigen

Acest lucru permite modul de transport cu o zgură uscată, evitând faţă de modul de transport obişnuit, consumul de sare în cuptorul cu tambur rotativ. În plus, zgura de sare conţine mai puţin aluminiu.Utilizarea unui arzător cu oxigen adaptat la design-ul cuptorului, precum şi controlul inteligent al procesului reprezintă baza pentru obţinerea unui succes în aplicarea metodei. Cu ajutorul unei calculări termice pe mostre s-au optimizat flacăra de oxigen cu radiaţie intensivă şi geometria cuptorului.

Construcţia deosebită a uşii cuptorului, cu arzătoare cu oxigen şi canal pentru gazele reziduale minimizează pătrunderea de aer străin în cuptor.Acest lucru rezultă în contextul unui consum de energie mai mic de 400 kWh per tonă de materiale de cementare, la o extracţie ridicată de metal (tabelul 1). La topirea cu cantităţi reduse de sare există un risc ridicat de oxidare pentru aluminiu – în special la utilizarea necontrolată a arzătoarelor şi la existenţa de oxigen liber în atmosfera cuptorului. De aceea este nevoie de o comandă automatizată pentru sprijinirea personalului manipulator. Cu ajutorul calculatorului, după introducerea greutăţilor şarjei, se calculează cantităţile de sare de care a fost nevoie şi energia necesară. Operatorul va obţine pe un ecran datele importante ale cuptorului (de ex. temperatura gazelor reziduale, consumul de energie, stoichiometria arzătorului, rotaţia), putând recunoaşte astfel momentul exact al descărcării (poza 6). Controlul procesului asigură o extragere ridicată a metalului, un consum de sare redus, un randament mare de topire şi un consum redus de energie. Aceste avantaje determină scăderea drastică a cheltuielilor de topire, astfel încât investiţiile pentru un nou cuptor se amortizează în scurt timp.

Poza 6: Dulapul de control general pentru un cuptor cu tambur rotativ basculant de 14 tone

Tehnologia arzătoarelor cu oxigen la cuptoarele de aluminiu cu vatră (OXIAL REVERB-Process)

Arzătoarele cu oxigen se utilizează cu suces şi la cuptoarele cu vatră (Reverberatory Furnace). La acest tip de cuptor s-a dovedit avantajoasă o flacără plată, adaptată geometriei cuptorului.Deosebit de importantă în acest caz este alegerea poziţiei arzătorului şi a gazelor reziduale, precum şi reglarea automată a arzătorului. Cu ajutorul unei modelări informatice pot fi calculaţi în prealabil parametrii optimi pentru convertirea unui cuptor pe arzătoare cu oxigen.

O reglare automată a arzătorului, preluarea şi prelucrarea temperaturilor în cuptor în vederea protejării topiturii şi a căptuşelii, precum şi reglarea automată a presiunii cuptorului asigură o extracţie ridicată a metalului şi consumuri scăzute de energie.Ca urmare a varietăţii mari de cuptoare se impun soluţii adaptate individual. Iată în cele ce urmează câteva exemple de convertire reuşită:

• Messer a convertit la o întreprindere de reciclare un cuptor cu vatră de 10 tone pe tehnologia cu arzătoare cu oxigen (poza 7).

Poza 7: Arzătorul cu aer / oxigen reduce cheltuielile de producţie ale unui cuptor cu vatră de 10 tone

Dorinţa de obţinere a unui randament de topire mai mare cu cheltuieli reduse a fost îndeplinită rapid, după punerea în funcţiune cu succes (tabelul 2). În baza calculelor teoretice s-a utilizat aici un arzător cu oxigen combinat, cu flacără plată. Pentru ca radiaţia flăcării să nu conducă la temperaturi excesiv de ridicate la boltă şi, implicit, la limitarea puterii arzătorului, flacăra se acoperă cu aer. În timpul perioadelor auxiliare ale cuptorului (de ex. şarjarea, descărcarea) arzătorul poate fi acţionat şi exclusiv cu aer, pentru a reduce cheltuielile cu oxigenul. S-a ţinut cont de cantităţile de gaze reziduale diminuate ca urmare a modificării uşii cuptorului şi a reglării presiunii cuptorului. Astfel se împiedică pătrunderea de aer străin prin uşă. La un atelier de presare prin extrudare cu cuptoare proprii de topire pentru prelucrarea deşeurilor pentru producerea de profile s-a utilizat o altă tehnologie.Deoarece profilele nu se încarcă fragmentate, au fost puse în funcţiune cuptoare cu vatră de 40 tone, cu o cameră şi două arzătoare în părţile frontale. Dispunerea arzătoarelor cu oxigen existente (produse străine) a condus la o supraîncălzire locală şi, implicit, la pierderi importante de metal. Messer a echipat unul din cuptoarele existente (poza 8) cu instalaţii cu arzătoare complet noi. Pentru o

distribuire mai bună a căldurii arzătorul Quadraflo a fost montat în plafonul cuptorului. Impulsul scăzut al flăcării acestor arzătoare protejează atât plafonul cât şi suprafaţa băii la supraîncălzire. În plus, flacăra se deplasează prin adăugarea ţintită de oxigen. Unghiul flăcării şi ciclul de mişcare sunt reglabile exact. Tabelul 3 prezintă o comparaţie a datelor unor cuptoare cu vatră de 40 tone, unul cu un arzător cu aer, altul cu arzător cu oxigen cu impuls ridicat şi altul cu arzător cu oxigen cu impuls scăzut (arzător Quadraflo).Deşeurile utilizate sunt în acest caz încărcate parţial cu lac şi plastic. Arderea necontrolată a hidrocarburilor a dus în trecut la temperaturi în creştere foarte accentuată ale gazelor reziduale, astfel încât arzătoarele trebuie oprite temporar. Odată cu redotarea instalaţiilor de arzătoare a fost modificat şi ghidajul pentru gazele reziduale. Gazele de semicarbonizare rezultate reglează acum flăcările arzătorului, prin intermediul preselectării unui program putând avea loc o încălzire suplimentară. Prin controlul temperaturilor gazelor reziduale şi ale bolţii randamentul arzătoarelor se adaptează automat, astfel încât nu intervine nici o supraîncălzire a topiturii sau a căptuşelii.

Poza 8: Reciclarea deşeurilor profilate într-un cuptor cu vatră de 40 tone cu arzătoare Quadraflo în plafon

Arzătoare cu aer Arzătoare cu aer pe bază de oxigen

Poziţia arzătoarelor Peretele lateral Peretele frontal

Tipul de arzătoare Flacără platăTimpul de topire [h] 8 5,5

Consumul de gaze[%] 100 52

Consumul de oxigen [Nm3/7] 0 75

Cheltuieli cu energia [%] 100 82

Tabelul 2: Redotarea unui cuptor cu vatră monocameral, de 10 t

Tehnologia arzătoarelor cu oxigen la cuptoarele de topit aluminiu cu cuvă(OXIAL-REVERBProcess)

Pentru creşterea puterii de topire in turnătorii arzătoarele cu oxigen oferă avantaje importante şi la cuptoarele de topire cu cuvă. La acest tip de cuptoare gazele reziduale ale arzătoarelor se utilizează pentru preîncălzirea aluminiului solid. Aluminiul ajunge în cuvă printr-o încărcare automată, acolo se preîncălzeşte la coborâre şi se topeşte cu arzătoarele. Metalul topit curge printr-o punte de topire într-o zonă a cuptorului, care este necesară pentru colectare şi pentru reglarea temperaturii.Datele tipice ale unui cuptor de topire cu cuvă sunt:• randamentul de topire: 1,5 până la 2 t/h• temperatura de preîncălzire: 200 până la 450oC• consumul de energie: 900 până la 1000 kW per tonă de aluminiu• randamentul zgurii: 3 până la 5 %

Împreună cu partenerii de cooperare Messer a elaborat o metodă bazată pe un arzător cu oxigen, care oferă rezultate convingătoare.Pentru ridicarea rapidă şi simplă a randamentului de topire poate fi încastrat un arzător cu aer pe bază de oxigen în camera de topire. Astfel se obţin creşteri ale randamentului de până la 50 % şi cantităţi de zgură reduse.Acest sistem simplu lucrează împreună cu comanda existentă a cuptorului.Cheltuielile de investiţie sunt astfel vizibile şi se amortizează repede.Pentru o bună preîncălzire a aluminiului în cuvă este nevoie de o cantitate suficient de ridicată de gaze reziduale.De aceea, la utilizarea arzătoarelor pe bază de oxigen în domeniul de topire, se recomandă instalarea suplimentară a unei suflante de gaz fierbinte (poza 9).

Poza 9: Combinaţia dintre suflantele de gaz fierbinte şi arzătoarele cu oxigendublează randamentul de topire al unui cuptor de topire cu cuvă Avantajele arzătorului pe bază de oxigen, pe scurt:• costuri reduse pentru energie• exploatarea flexibilă a topiturii• randament de topire ridicat

Arzător cu aerArzător standard cu oxigen

Arzător Quadraflo

Poziţia arzătoarelor Peretele frontal

Peretele frontal

Plafon

Tipul arzătoarelor Curent în derivaţie

Quadraflo

Randamentul de topire [t/h] 1,8 2,1 2,9Creşterea randamentului [%] 18,1 65,9Consum gaze naturale [Nm3/t] 120 70 55Consum oxigen [Nm3/t] 0 110Costuri energie [€/t] 15,30 23,20 18,30Producţia [t/an] 13500 16000 22500Îmbunătăţirea extragerii [t/an] 225Economie [€/t]

4,0 19,8• emisii reduse de praf• extracţie ridicată de metal

Tabelul 3: Compararea datelor diverselor arzătoare la un cuptor de 40 tone

Prin aceasta se află mari cantităţi de gaz la dispoziţie pentru transferul convectiv de căldură şi se utilizează gradul ridicat de eficienţă al arzătoarelor pe bază de oxigen. Prin acest sistem se poate utiliza în cuptor şi o mică parte din deşeurile cu conţinut de ulei şi producţia utilizatorului. Suflanta asigură arderea necesară a gazelor de semicarbonizare rezultate. Prin această metodă randamentul de topire s-a putut aproape dubla iar, în acelaşi timp, consumul de energie aproape s-a înjumătăţit (tabelul 4). Prin randamentul de topire ridicat şi îmbunătăţirile continue ale cuptorului pierderile de metal au scăzut cu 20 până la 40 %. Marea flexibilitate de topire s-a putut astfel obţine fără investirea într-un nou cuptor.

Arzător cu aer

Arzător cu aer/ oxigen

Arzător cu oxigen +sufluri de gaz fierbinţi

Randamentul de topire [t/h] 1,4 2,1 3,5Randamentul de topire [%] 100 150 250Consum gaze naturale [Nm3/t]

100 45 43

Consum oxigen [Nm3/t] 0 75 86

Costuri energie [€/t] 15,40 18,40 19,80

Producţia [t/an] 10080 15000 25200

Cantitate zgură [%] 100 71 45

Câştig de aluminiu [t/an] 150 554

Economie [€/t] 0 12,35 29,35

Tabelul 4: Compararea datelor diverselor arzătoare la un cuptor de 40 tone