Технология производства фольги из вторичного алюминия

Технология производства фольги из вторичного алюминия

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ФОЛЬГИ ИЗ АЛЮМИНИЯ

Алюминий по содержанию в земной коре различных элементов занимает третье после кислорода и кремния, место, а среди металлов он является неоспоримым лидером, достигая, несмотря на малый удельный вес, 8,8% от массы всех, содержащихся в недрах металлов. Для сравнения в земле содержится 4,2% железа, 0,003% меди, а золота - 0,000005%.

Однако, из-за высокой химической активности, алюминий в природе в свободном состоянии не встречается и присутствует только в виде разнообразных по составу соединений, например, бокситов, глинозема, корунда и т.п. Поэтому вплоть до 1835 года, когда датскому физику Гансу Эрстеду удалось открыть серию последовательных реакций по восстановлению алюминия из глинозема, этот уникальный по свойствам металл не только не использовался, но и не был известен. Промышленное производство алюминия было освоено лишь в конце Х1Х века.

Этот легкий, блестящий, коррозионностойкий, пластичный, легко поддающийся обработке различными способами, металл получил в ХХ веке очень широкое применение в различных отраслях техники, в том числе в производстве упаковочных материалов.

По данным американской алюминиевой ассоциации из более, чем 10000 тыс. тонн мирового производства алюминия, четвертая часть идет на производство упаковки (контейнеры, банки, крышки, колпачки, фольга бытового назначения, ламинаты на основе фольги). А в некоторых странах со слабо развитыми машиностроительными отраслями хозяйства и индустрией стройматериалов, доля производимых из алюминия упаковочных средств достигает 75%.

Для придания алюминиевым сплавам специфических или специальных свойств в алюминий в процессе его производства вводят микродобавки различных металлов. В результате становится возможным, например, с помощью одних добавок повысить коррозионную стойкость сплава, а благодаря другим, улучшить перерабатываемость и повысить пластичность, смачиваемость, устойчивость к высоким температурам (Таблица 1).

Таблица 1. Влияние добавок на изменение характеристик сплавов алюминия

Европейским стандартом EN 573-1 предусмотрена четырехзначная цифровая система обозначения, как алюминия, так и его сплавов: от 1000-ой до 8000-ой серий. К 1000-oй серии относится коммерчески чистый алюминий (содержание Al ≥ 99%), чистота которого указана в двух последних цифрах в сотых долях процента, следующих за величиной 99%. Например чистота алюминия 1198-ой серии составляет 99,98%. Вторая цифра в серии (от 1 до 9) отображает градации пределов примесей в алюминии. Если второй цифрой является ноль, то это означает, что алюминий имеет природный уровень примесей.

Для обозначения сплавов алюминия, содержащих различные добавки (Таблица 2) используются цифровые серии от 2000-ой до 8000-ой. Последние две цифры в этих группах обозначают идентификационный номер сплава, а вторая - его модификацию. Аналогичная нумерация предусмотрена и стандартом США (ASTM В 221).

Таблица 2. Добавки в алюминиевых сплавах различных серий

При производстве упаковочных материалов значительная часть алюминия используется в виде тонколистового проката - фольги. Следует отметить, что международный стандарт ISO относит к фольгам прокат толщиной до 200 мкм.

Для упаковки пищевой продукции наиболее употребляемой является фольга, изготовленная из алюминия или алюминиевого сплавов 1000-ой, 3000-ой и 8000-ой серий, содержащая железа - от 0,5 до 1,5%, кремния - от 0,1 до 0,7%, марганца - от 0,02 до 1,5% и при необходимости повышения прочности - до 0,25% меди.

В начале ХХ века, до появления производств алюминиевой фольги широкое применение находила оловянная фольга и покрытая оловом жесть, использование которой при любой толщине было ограничено высокой жесткостью и пониженной пластичностью. Эти ограничения не позволяли пользоваться ею, как оберточным материалом для упаковки различных продуктов и уж, тем более, как структурной составляющей в многослойных ламинатах.

Впервые заменить луженую жесть алюминиевой фольгой стало возможным в 1910 году, после реализации технологического процесса непрерывного проката алюминия, освоенного по разработкам д-ра Лаубера в г. Креузлингене (Швейцария). Именно с этого завода началась история алюминиевой фольги, как высокобарьерного материала для упаковки продуктов питания.

Спустя три года в США тоже было запущено производство алюминиевой фольги для упаковки жевательной резинки, леденцов и конфет. Однако это был уже следующий шаг в развитии технологии получения фольгированных материалов, так как производство дополнительно включало отделочные процессы окрашивания, печати, лакирования, ламинирования и тиснения фольги.

В промышленности алюминиевая фольга производится путем последовательной и многократной (до 10-12) ее прокатки между стальными полированными валами с постепенно уменьшающимися зазорами между ними.

Для достижения толщины фольги менее 50-60 мкм процесс осуществляют путем совместного проката сразу двух фольг с нанесением между полотнами смазывающе-охлаждающей жидкости, которая затем удаляется в процессе последующего отжига при температуре более 300°С.

Совместная прокатка отражается на внешнем виде поверхностей готовой фольги. Сторона, обращенная к поверхности полированного вала, всегда блестящая, а сторона, соприкасающаяся с другой фольгой - матовая.

Использование алюминиевой фольги при производстве упаковочных материалов в первую очередь обусловлено ее непревзойденными барьерными свойствами, благодаря которым упаковываемый продукт полностью защищен от агрессивных воздействий ультрафиолета, влаги, кислорода. Именно этим объясняется то, что срок хранения многих продуктов, упакованных в фольгированных пленочных материалах, может составлять более года. Например, сухое молоко в герметичных пакетах из ламинированной фольги может храниться 2 года.

Из-за чрезвычайно низкой прочности и отсутствия способности образовывать термосвариваемые швы, необходимые для герметизации упаковок, применение алюминиевой фольги в чистом виде крайне ограничено. Как правило, она входит в состав различных многослойных ламинатов, содержащих с одной (внешней) стороны полиэтилентерефталатные, полиамидные пленки или пленки из ориентированного полипропилена, а с другой (внутренней) - термосвариваемые покрытия (лаки, клея-расплавы, полиэтилен, полипропилен и их сополимеры). Внешние слои, как правило, несут многоцветный печатный слой, а внутренние позволяют автоматизировать процесс упаковки с помощью тепловой сварки.

На функциональную устойчивость упаковочных ламинатов с фольгой может отрицательно сказываться агрессивное воздействие упаковываемого продукта. Например, уксусная или жирные кислоты, содержащиеся в отдельных пищевых продуктах, при их тепловой обработке (пастеризация, кипячение продукта в упаковке, высокотемпературная стерилизация) могут после диффузии через внутренний термосвариваемый слой реагировать с оксидной пленкой на поверхности фольги, приводя к ее постепенному разрушению и, следовательно, к падению барьерных свойств ламината.

При всей своей высокой химической инертности оксидная пленка (Al2O3) на алюминиевой поверхности может вступать в реакцию, как с кислыми, так и со щелочными средами. Совершенно не влияют на свойства фольги в структуре упаковочного материала лишь среды, у которых показатель кислотности лежит в диапазоне РН от 4 до 9. (По материалам сайта www.upackgroup.ru).

Помимо барьерных свойств, привлекательность использования алюминиевой фольги, как упаковочного материала, обусловлена значительными сбережениями ресурсов за счет экономии топлива при транспортировке продуктов.

Так замена компанией “Kraft Food” стеклянных бутылок при розливе широко известного напитка “Capri-Sun” на “устойчивый” пакет (doy-pack) из фольгированной пленки позволяет транспортировать почти вдвое больше упаковок в том же объеме, так как вес пакетов составляет всего 6,1% от веса самого груза (Рис.1).

Рисунок 1. Упаковка напитка “Capri-Sonne (Capri-Sun)” в пакеты “doy-pack”.

Производство алюминиевой фольги, как и любое другое, находится в постоянном развитии. Год от года совершенствуется оборудование, оптимизируются технологические режимы, расширяется химический состав, используемых сплавов. Все это направлено не только на улучшение эксплуатационных свойств фольги, но и на уменьшение ее толщины, как основного параметра, определяющего снижение материалоемкости и, следовательно, повышения экономической эффективности применения фольги при изготовлении упаковочных материалов.

Стремление упаковщиков использовать все более тонкую фольгу вполне оправдано, так как при полном сохранении барьерных свойств замена, например, 9 - микронной фольги на 7 - микронную сразу же обеспечивает более, чем 20 % экономию металла.

На Рис.2 приведена многолетняя динамика совершенствования технологических процессов проката фольги, ориентировочно оцениваемая по уровню достигаемых минимальных значений ее толщин.

Возможность производства все более тонких фольг имеет, тем не менее, отрицательную сторону, обусловленную увеличением пористости или числа микроотверстий при уменьшении толщин проката. Это неизбежная закономерность, так как в атмосфере производственных помещениях невозможно создать условия абсолютного отсутствия каких-либо инородных микроскопических частиц, нарушающих при прокате целостность тонкой фольги.

Рисунок 2. Достигнутые по годам минимальные значения толщин алюминиевой фольги.

Целесообразность перехода на более тонкие номиналы толщин была оправдана и подтверждена рядом независимо проведенных исследований. Так исследованиями О.Пирингера и Р.Брандша в 2004г. в компании “Fabes Forschungs GmbH” (Германия), занимающейся изучением миграции различных сред через упаковочные пленки, было показано, что А1-фольга при толщине ≥ 6 мкм является практически абсолютным барьером для большинства газов, жидкостей и ультрафиолета.

Точно такие же сведения опубликованы в журнале “SCIENCE”, в котором приведена информация о проведенных исследованиях в лабораториях “Ris National” (Дания) и “Synchrotron Radiation” (Франция). Эксперименты на отожженной при 260-290° С алюминиевой фольге с использованием “3D” рентген-микроскопов подтвердили непроницаемость фольги толщиной более 6 мкм для любых внешних воздействий.

Дальнейшие поиски способов производства еще более тонких фольг, скорее всего, прекратятся, по крайней мере, для нужд производителей упаковочных материалов, из-за того, что увеличение пористости сделает фольгу не конкурентоспособной по отношению к современным барьерным материалам.

Глава 2. Альтернативные способы получения алюминиевой фольги

Облицованная фольгой бумага и картон находят все возрастающее использование во влагонепроницаемых упаковках. Наиболее распространенным материалом для изготовления фольги является металлический алюминий; фольга наносится одним или несколькими слоями на целлюлозные волокна. Такие слоистые материалы используются для упаковки различных пищевых продуктов, а также таких изделий как сигареты.

Целлюлозные компоненты многослойной фольги часто изготавливают из высокосортных материалов, которые являются ценным вторичным сырьем, используемым в бумажной промышленности.

Переработка отходов многослойной фольги осуществляется при интенсивном механическом перемешивании в устройствах типа гидропульпера. При такой обработке фольга быстро измельчается под действием турбинной мешалки гидропульпера. Отделяемые целлюлозные волокна загрязнены чешуйками металла, которые трудно отделить от целлюлозы на последующих стадиях переработки.

Полученная таким образом бумажная масса, загрязненная металлом, направляется в производство бумажных изделий, качество которых ниже, чем в случае бумажной массы, очищенной от частиц фольги.

Процесс, разработанный X. Мамерси иуДж. Е. Роуни (патент США 4168199 18 сентября 1979 г.), предназначен для выделения целлюлозных волокон для производства бумаги из многослойной фольги. При этом исходное сырье нагревается под давлением в присутствии водного раствора, после чего быстро перемещается в камеру с низким давлением при механическом перемешивании массы в случае необходимости. Такая переработка обеспечивает получение смеси, из которой могут быть выделены целлюлозные волокна для производства бумажных изделий и металлическая фольга для переработки в металлические изделия.

ГЛАВА 3. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ИЗ ОТХОДОВ

Получение рекуперативного алюминия стало насущной задачей в связи с тем, что при его извлечении из отходов экономится до 90 95% электроэнергии, необходимой для получения того же количества первичного алюминия, а также отпадает необходимость в добыче и переработке исходного сырья, например бокситов. Кроме того, переработкой промышленных отходов решаются многие экологические проблемы. Необходимость создания способов переработки отходов материалов на основе алюминиевой фольги связана с тем, что переплав, например, пакетированных отходов кашированной и ламинированной фольги для извлечения металла приводит к загазованности атмосферы в результате интенсивного выделения токсичных дымовых газов. Бумага или пластик, склеенные с алюминиевой фольгой, сгорая в плавильных печах, сжигают фольгу. Отделение фольги от каширующих материалов с помощью специальных составов дорогостоящий и трудоемкий процесс.

Известен способ переработки отходов кабельной изоляции, представляющей собой алюминиевую фольгу, соединенную с полиэтиленовой пленкой, путем нагрева и отделения полиэтилена от фольги при выходе материала из нагревателя [1] Известный способ отличается трудоемкостью и высоким энергопотреблением.
Известен способ переработки отходов фольги, кашированной различными материалами, путем механического воздействия на материал измельчения до такой степени, что фольга отделяется от каширующего материала, и последующего разделения смеси тонкодисперсных частиц с использованием роторной вихревой мельницы [2] Известный способ позволяет после помола выделить металлический Al в виде тонкодисперсного порошка. Недостатком этого процесса является большая энергоемкость процесса, необходимость контроля взрывобезопасности.

Известный способ может быть принят за прототип, поскольку совпадает с заявляемым способом по существенному признаку измельчению материала при механическом воздействии на него.

Задача, решаемая изобретением, состоит в упрощении способа получения металлического алюминия путем переработки отходов фольги.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе переработки отходов материалов на основе алюминиевой фольги, предусматривающем измельчение материала и отделение металлического алюминия, в соответствии с изобретением, измельченный материал подвергают термообработке и карбонизируют в бескислородной среде при температуре 500 650oC в течение 10 15 мин, после чего отделяют карбонизат от целевого продукта.

Сущность изобретения состоит в том, что при термообработке исходного материала в режиме, установленном авторами экспериментально, удается получить весь содержащийся в фольге Al и дополнительно, как побочный продукт, карбонизат органического материала, пригодный для дальнейшего использования. При этом при температурах ниже 500oC карбонизация материала замедляется, т. к. не уходят летучие органические вещества, имеющие температуру возгонки в указанном диапазоне, а при температурах, превышающих 650oC, идет активизация карбонизата, растет доля фольги, вступающей, однако, для получения ценных потребительских свойств у карбонизата (побочного продукта), его нужно активизировать в присутствии кислорода, а это приводит к снижению выхода металлического алюминия, поскольку растет доля алюминиевой фольги, вступающей в реакцию окисления. Время термообработки установлено экспериментально из условия полной карбонизации органического материала. Для получения целевого продукта необходима бескислородная среда (инертные, топочные газы, расплавы солей и металлов хлористый цинк, олово и т.п.), которая исключает окисление алюминия, а также отжиг органической составляющей.

Способ осуществляется следующим образом. Отходы кашированной алюминиевой фольги измельчают на полоски шириной около 1,2 1,5 мм. Полоски в виде рыхлой массы загружают в канал печи или другого устройства (ванна с расплавом и т. п. ), перемещают через зону нагрева, в которой поддерживают рабочую температуру 500 650oC, общая длительность пребывания материала в печи 10 15 мин. При указанной температуре из материала выделяют летучие органические вещества с температурой возгонки в рабочем диапазоне, газы отделяют, охлаждают, летучие конденсируются и поступают на дальнейшую переработку. Топочные газы после отделения летучих поступают назад в канал печи, а избыток сбрасывается, т.к. необходимо обеспечить небольшой подпор давления внутри канала печи. После термообработки и карбонизации органической составляющей металлический алюминий отделяется в виде полосок, пригодных для дальнейшей переработки. Оксиды алюминия не образуются, восстановительная атмосфера существует в канале печи за счет образования водорода или оксида углерода при наличии исходной влажности или других причин. Металлический алюминий накапливается в бункере, а затем прессуется, например, в гранулы и поступает на переплавку.

Примеры конкретного выполнения.

. Получали металлический алюминий из исходного материала кашированной алюминиевой фольги, содержавшей 52 мас. алюминия, остальное бумага, влажность материала 10% Материал измельчили в полоски шириной 1,5 мм и длиной 4 5 мм (по ширине ленты фольги) и загрузили в печь. Нагрев материала производили со скоростью 5o/мин, по достижении 500oC нагрев прекратили и выдерживали материал при этой температуре в течение 15 мин, одновременно осуществляя его перемещение к концу печи и стряхивая карбонизат. После окончания термообработки выгрузили целевой продукт в виде полосок фольги. Выход целевого продукта составил 52 мас. выход карбонизата 16 мас. убыль массы произошел за счет угара карбонизата, испарения воды и летучих. Таким образом, получено 100% алюминия, содержащегося в отходах фольги.

. Получали металлический алюминий, как в примере 1, проводя термообработку и карбонизацию при температуре 580oC. Выход целевого продукта и карбонизата соответствует результатам примера 1, получено 100% алюминия, содержащегося в отходах фольги.

. Получали металлический алюминий, как в примере 1, проводя термообработку и карбонизацию при температуре 650oC. Выход целевого продукта и карбонизата соответствует результатам примера 1, получено 100% алюминия, содержащегося в отходах фольги.

Полученный в примерах карбонизат представлял собой черный порошок различного гранулометрического состава. Учитывая возможность полезного использования карбонизата, например, в качестве сорбента, была исследована его сорбционная емкость для образцов, полученных при разных температурах карбонизации. Так, при температуре карбонизации 500oC объем сорбционного пространства карбонизата (пример 1) составляет по воде 0,05 см3/г и по бензолу 0,90 см3/г. Такими же показателями характеризуется образец карбонизата примера 3, полученный при температуре 650oC, однако меньше, чем у карбонизата, полученного при более высокой температуре и при его активации.

Приведенные примеры показывают, что по предлагаемой технологии переработки отходов материалов на основе алюминиевой фольги можно извлекать полностью алюминий и дополнительно получать карбонизат для последующей переработки в полезный продукт.

Источники информации

. JP, N 56-157317, B 22 C 29/00. Утилизация отходов кабельной изоляции. Публ. 04.12.81.

. Рекламный проспект "Ультра Ротор" фирмы "Altenburger Machinen Jasckerieg G-mbH", международная выставка "Химия-87". Формула изобретения: Способ переработки отходов на основе алюминиевой фольги, включающий их измельчение, термообработку и отделение металлического алюминия, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в бескислородной среде при 500 - 650oС в течение 10 15 мин с получением углеродсодержащей массы и металлического алюминия.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАБОТ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ

. С использованием шлаков алюминия, стружки, пищевой упаковки, фольги различного происхождения.

В процессе плавления металлического алюминия <#"516887.files/image003.gif"> <#"516887.files/image004.gif"> <#"516887.files/image005.gif"> <http://www.pereplav.ru/images/vtor_03.jpg>

При использовании обычных печей с непосредственным обогревом расход топлива составляет 1100-2000ккал/(ч*кг) расплава алюминия, тепловой КПД этой операции достаточно низок, менее 30%, а во многих случаях он составляет 10-20 %.

Алюминиевые отходы, образующиеся при металлообработке, например, токарная и сверлильная стружка, опилки и др., как правило, содержат смазочные масла и другие углеводородные смеси, которые необходимо удалять для предотвращения загрязнения окружающей среды в процессе плавки. Сырьё сначала подвергают высушиванию, а затем подают в камеры сгорания с целью сжигания углеводородов, выделяемых из лома при просушке.

Тепловой КПД процесса можно повысить до 40-50 % при использовании интегральных плавильных систем, разработанных В.Е. Стефенсом, фирма «Алюмак Инк.».

Высокоэффективная система плавки включает рециркуляцию части горячих газов, осуществляющих плавление алюминия в рабочем пространстве печи на стадии предварительного нагрева лома: остальная часть горячих газов используется в рекуператорах для предварительного нагрева воздуха, подаваемого для сжигания углеводородного топлива. Таким образом теплосодержание горючих примесей также используется в данной системе.

Схема процесса показана на рис. 7. Камера сгорания 1 включает секции сгорания 3 и дожигания2. Топливо 4 и воздух 5 подают в определённых соотношениях, вместе с рециклируемым потоком горячих газов они попадают в зону дожигания. Выходящие газы, нагретые до температуры 1100-1375 градусов Цельсия, подаются далее в плавильную печь 10 для расплавления алюминиевого лома, доставляемого из камеры предварительного нагрева 12 или 12а. Камера предварительного нагрева 12 состоит из вращающейся сушильной печи, используемой для размельченных материалов и камеры 12а для приема прессованного лома.

Часть отходящих горючих газов 11 из плавильной печи проходит через устройство для предварительного нагрева лома (до 480 град.) перед подачей в печь; газы вентилятором 13а возвращаются в секцию дожигания 2. Остаток выходящих газов подается в рекуператор 8 через байпасную линию с заслонкой 9 и по линии 7 направляется в дымоход. По мере образования расплава алюминий выпускается из печи через отверстие 10а. Заслонка 13 позволяет регулировать подачу газов в камеру 12 для поддержания постоянного температурного режима.

Для полной утилизации тепла целесообразно отводить горячий газовый поток из печи непосредственно в рекуператор 8 для обогрева трубок 6 с целью предварительного нагрева воздуха 5, питающего горелку 3 камеры сгорания. Газы, направляемые в дымоход по линии 7, имеют температуру порядка 650-820 град.

При плавлении алюминия требуется около 462 кДж/кг для предварительного нагрева до температуры 480 град. Примерно 714 кДж/кг передаются загруженной массе путем контакта с расплавом. В результате теплообмена температура отходящих газов снижается до 650-820 град. вместо 1100-1375 град. Цельсия, характерных для плавильных печей с непосредственным обогревом пламенем.

Изделия из алюминия или его сплавов <http://www.pereplav.ru/alyuminiy_splavy> широко используются как конструкционные элементы, например в строительстве, благодаря их малому весу и коррозионной стойкости. По этой причине количество механически обрабатываемого алюминия увеличивается из года в год. Увеличение количества продукции, производимой методом экструзии, приводит так же к росту отходов и обрезков сплавов алюминия. Значительное количество лома образуется при холодной обработке алюминия давлением и сборке. Общее количество алюминиевого лома <http://www.pereplav.ru/scrap>, образующегося при производстве и сборке конструкционных элементов, может достигать 20-30% от массы исходного сырья.

Таким образом, возникает необходимость в разработке методов эффективной переработки таких отходов.

Известные процессы переработки лома включают стадии плавления и формования заготовок с последующей штамповкой. Однако этот метод требует добавления первичного металла на стадии плавления для обеспечения необходимых формовочных качеств. Кроме того, недостатком таких процессов является их высокая энергоемкость и большие потери металла.

Хорошо известно, что алюминий представляет собой металл с относительно высокой способностью к уплотнению. Такое его свойство должно быть большим преимуществом при переработке штампованием, однако на практике оно создает много проблем, связанных с получением изделий, свободных от раковин и пустот, достаточно плотных и без наростов на поверхности.

Необычайно трудно получить изделия, свободные от раковин и наростов с использованием простой аппаратуры и низкими энергозатратами. Для устранения этих дефектов требуется сложная многоступенчатая технология.