آلومينيم و آلياژهاي آنها، به دليل نقطه ذوب كم و داشتن سياليت خوب و همچنين پذيرفتن عمليات‌هاي حرارتي و مكانيكي براي افزايش خواص مكانيكي در صنايع مختلف بخصوص در صنعت خودرو، كاربرد بيشتري داشته و موارد مصرف اين آلياژها روز‌به‌روز توسعه مي‌يابد. معمولاً براي توليد قطعات آلومينيمي، مواد اوليه شامل شمش، برگشتي و آميژان‌هاي موردنياز با درصدهاي مناسب در كوره ذوب شارژ شده و در حين عمليات ذوب، به دليل تاثير اكسيژن هواي محيط و وجود يك‌سري ناخالصي‌ها نظير اكسيدها، نيتريدها و كاربيدها در مواد شارژشده و يا جداره نسوز كوره، يك‌سري ناخالصي و تركيبات بين فلزي نامطلوب در داخل مذاب ايجاد مي‌شوند كه با توجه به وزن و ماهيت اين تركيبات و استفاده از فلاكس مناسب، آنها از مذاب جداشده و به شكل سرباره در سطح مذاب، و يا به‌صورت لجن در ته كوره انباشته مي‌شوند. سرباره را قبل از تخليه مذاب و لجن ته‌كوره را بعد از تخليه مذاب از كوره خارج مي‌كنند. در حالت كلي، نوع كوره، اندازه قطعات، نوع آلياژ و عوامل فرايند نظير دما و زمان، در ميزان اتلافات مذاب موثر است.
براي اينكه فرايند عمليات ذوب اقتصادي باشد، بايد ميزان اكسيداسيون مذاب به حداقل برسد. تمركز اين مقاله بر تكنيك‌ها و تكنولوژي‌هايي است كه مي‌توانند به كاهش تشكيل سرباره و نحوه مديريت و بازيافت آن كمك كنند.
عوامل موثر در كاهش تشكيل سرباره
1. قراضه
قانوني قديمي در صنعت آلومينيم وجود دارد كه به ازاي هر يك درصد آلودگي شارژ شده به كوره مذاب، حداقل يك‌درصد پرت مذاب وجود خواهد داشت. نوع قراضه‌ها و آماده‌سازي آنها قبل از شارژ، تفاوت قابل ملاحظه‌اي در ميزان تشكيل سربار ايجاد خواهد كرد. البته هميشه انتخاب نوع قراضه مناسب براي شارژ امكان‌پذير نمي‌باشد. آلودگي قراضه (نظير آب، روغن، رنگ، پلاستيك و آلودگي‌هاي ديگر) فرايند ذوب را مختل كرده و ميزان بازيافت آلومينيم موجود را كاهش خواهد داد. روش‌هاي مختلفي براي كاهش آلودگي قراضه‌ها وجود دارد. اصلي‌ترين روش جداسازي و مرتب‌كردن قراضه‌ها، «دستي» است، به‌طوري‌كه مواد زائد از آنها با دست جدا و حذف شوند. از اين فرايند، بيشتر در كشورهاي پيشرفته مخصوصاً در نقاطي كه نيروي انساني ارزان است، استفاده مي‌شود. در حالت پيشرفته، قراضه‌ها به صورت اتوماتيك در خطوطي مخصوص جداسازي مي‌شوند. در اين روش، قراضه‌ها به اندازه‌هاي مناسب برش داده شده و مواد زائد، از طريق جداسازهاي مغناطيسي و يا «ادي‌كارنت» حذف مي‌شوند.
در شركت‌هايي كه به‌طور وسيع و در مقادير زياد از قراضه‌هاي پوشش‌دار و رنگي استفاده مي‌كنند، سيستم‌هاي پوشش‌زدايي اغلب براي حذف پوشش‌هاي آلي به‌كار مي‌روند. پوشش‌زدايي، فرايندي حرارتي است كه در آن مواد آلي نظير پلاستيك‌ها و رنگ‌ها تحت شرايط كنترل شده، بخار مي‌شوند. بسته به تيراژ توليد ميزان صرفه‌جويي حاصل از كاهش 1 تا 2درصد پرت مذاب مي‌تواند بيشتر از هزينه تجهيزات پوشش‌زدايي باشد. علاوه بر بحث‌هاي اقتصادي، اين سيستم‌ها در كنترل مواد مضر و حفظ محيط زيست، موثر هستند.
شكل1
 |
2. نحوه شارژ كوره
طراحي كوره مي‌تواند عاملي اصلي در تشكيل سرباره باشد. شارژ كوره، گام مهم بعدي در كنترل تشكيل سرباره است. قادر بودن به غوطه‌وري قراضه‌هاي سبك‌تر در زير مذاب، هميشه مزيت بوده اما بسته به انواع قراضه و كوره مورداستفاده، همواره امكان‌پذير نيست. به‌صورت قانوني كلي، قراضه سبك بايد از تماس مستقيم با شعله دور بماند.
در شارژ اوليه براي شروع عمليات ذوب، بهتر است اول قراضه‌هاي سبك و سپس قراضه‌هاي سنگين‌تر شارژ شوند. در كوره‌هاي شعله مستقيم، استفاده از مواد در اندازه‌هاي بزرگتر بهتر است. هدايت حرارتي انجام شده از طريق اين نوع مواد، به ذوب سريعتر مواد كمك كرده و ميزان اكسيداسيون سطوح خارجي‌تر را كاهش خواهد داد.
شكل2
 |
زماني كه مواد داراي پروفيل نازك، نظير ورق شارژ مي‌شوند، مواد مذاب مستقيماً از شارژ به سمت ديواره‌ها و در كوره رانده مي‌شوند. اين امر به اكسيداسيون مذاب در اين مناطق ميانجامد. ماشين‌هاي شارژ مدرن (شكل2) براي شارژ سريع بار طراحي شده‌اند و مي‌توانند شارژ را در كل كف كوره به طوري مناسب توزيع كنند. اين ماشين‌ها به‌طوري موثر، چرخه‌هاي شارژ كوره را كاهش داده و باعث بهبود بازيافت كلي مذاب مي‌شوند.
3. دماي كوره
دماي مذاب، تنها عامل بسيار مهم و قابل كنترل است كه مي‌تواند ميزان تشكيل سرباره در كوره را تعيين كند. دماي مذاب اگر از 782 درجه سانتي‌گراد تجاوز كند (شكل3) تشكيل سرباره به‌صورت تصاعدي افزايش مي‌يابد.
به هم زدن مذاب كوره، مي‌تواند اختلاف دماي بين بالا و پايين كوره را در مدت چند دقيقه كاهش دهد و حدود 25درصد از تشكيل سرباره بكاهد (شكل4).
شكل3: ميزان تشكيل سرباره در دماهاي مختلف
 |
شكل4: تاثير ايجاد تلاطم در يكنواختي دماي مذاب بالا و پايين كوره
 |
اگر دماي فلز مذاب مناسب نباشد، سرباره مي‌تواند شروع به واكنش «ترميت» كند. در هر زماني كه واكنش ترميت اتفاق بيفتد، تلفات عناصر موجود در مذاب، بيشتر شده و سوخت مصرفي در يك واكنش «ترميتي»، آلومينيم است. از آنجا كه اين واكنش گرمازاست، مي‌تواند دماي سطح مذاب را به سرعت تا بالاي 780درجه سانتي‌گراد افزايش داده و به اكسيداسيون بيشتر مذاب، كمك كند. علاوه بر پرت زياد مذاب، واكنش‌هاي ترميتي مي‌توانند به لايه نسوز كوره آسيب رسانده و از عمر كوره بكاهند.
4. تكنولوژي مشعل (سيستم گرمادهنده)
انتخاب و نوع مولدهاي حرارتي مورداستفاده در يك كوره، اهميت زيادي دارد. در اغلب موارد، مي‌بايستي تعادلي خوب بين انتقال حرارت كافي و موثر مواد داخل كوره و در عين حال، حداقل اكسيداسيون مذاب برقرار باشد. شعله معمولاً به دو طريق باعث افزايش سرباره مي‌شود: يكي از طريق واكنش محصولات سوخت با مذاب و ديگري تشكيل نقاط داغ در سطح مذاب زير شعله كه باعث اكسيداسيون بيشتر مذاب مي‌شوند. با طراحي مشعل‌هاي متحرك و حركت دوراني و چرخه‌اي شعله، نقاط داغ سطح مذاب حذف شده و باعث كاهش حداقل 20درصد سرباره مي‌شود. همچنين، حركت مذاب از طريق هم زدن، به جلوگيري از پيدايش نقاط داغ، كمك خواهد كرد.
5. سرباره‌گيري كوره
در عمليات سرباره‌گيري، بيشترين سرباره از كوره حذف مي‌شود. بازده بيشتر عمل ذوب و كنترل دما، زمان و چگونگي سرباره‌گيري بسيار مهم بوده و در بازيافت كلي تاثير خواهد گذاشت. تاخير زياد در سرباره‌گيري، باعث كاهش بازده ذوب شده و همچنين باعث افزايش بيش از حد دماي سطح مذاب خواهد شد. مهارت اپراتور و همچنين استفاده از تجهيزات مناسب براي سرباره‌گيري، تاثير زيادي دارد. تكنيك نامناسب سرباره‌گيري باعث مي‌شود تا مقدار زيادي آلومينيم از كوره، بيرون كشيده شود. نگه‌داشتن مذاب در داخل كوره در مقايسه با حالتي كه مذاب همراه سرباره بيرون آمده و با روش‌هايي ديگر بازيافت شود، بسيار اقتصادي‌تر است. امروزه استفاده از ماشين‌هاي سرباره‌گيري رباتيك، متداول شده است (شكل5). اين سيستم‌ها كاملا اتومات بوده و نيازي به مهارت با تخصص اپراتور ندارند. اين ماشين‌ها نه تنها ميزان مذاب خارج شده به همراه سرباره را به حداقل مي‌رسانند بلكه براساس برنامه‌ريزي انجام شده، با نسوز كوره تماس نگرفته و به افزايش عمر كوره كمك مي‌كنند.
شكل5: ماشين سرباره‌گيري اتوماتيك
 |
1. روش‌هاي بازيافت بهتر آلومينيم موجود در سرباره
گرچه تاييد شده است كه ميزان سرباره، بايد در حداقل باشد، از اهميت افزايش ميزان آلومينيم موجود در سرباره، چشم‌پوشي شده است. برخي‌ها به اشتباه بر اين باورند كه كاهش ميزان آلومينيم در سرباره، مطلوب‌تر است. زيرا آلومينيم بيشتري در كوره باقي مي‌ماند.
اگر سرباره شبيه آنچه كه در شكل (6) ديده مي‌شود باشد، نه تنها امكان بهبود شرايط محيط كار فراهم مي‌شود بلكه سودبخشي سازمان نيز افزايش خواهد يافت. براساس قيمت‌هاي كنوني، Al افزايش بازتابي سرباره به ميزان 3درصد براي تناژ 500تن در ماه، منجر به صرفه‌جويي سالانه حدود 46000دلار مي‌شود.
شكل6: اختصاص محفظه‌هاي مناسب جهت سردكردن سرباره
 |
مديريت موثر سرباره، منجر به بهبود كيفيت مذاب، كاهش مصرف سوخت، افزايش عمر مفيد ديواره نسوز كوره و بازده بيشتر كل فرايند مي‌شود.
در سال‌هاي اخير، تسهيلاتي براي بهتر سردكردن سرباره و بازيابي آن ايجاد شده است. امروزه ميزان بازيافت سرباره بايد در محدوده 60 تا 70درصد باشد. روش‌هاي مختلفي براي بهبود بازيافت آلومينيم موجود در سرباره وجود دارد كه در ادامه، هركدام از آنها و ميزان تاثيرشان موردبررسي قرار گرفته است.
-
خنك كردن سرباره از كف
اين روش، اولين و اصلي‌ترين روش مديريت سرباره است كه در آن با پخش كردن سرباره داغ بر روي شمش Al و يا تختال فولادي، سرباره به سرعت سرد مي‌شود. سپس، كارگران قطعات بزرگ آلومينيم را جمع‌آوري مي‌كنند. گرچه ميزان بازيافت آلومينيم در اين روش 30درصد است، اما در مقايسه با روش‌هاي جديد، بسيار ناچيز است. علاوه بر آن، به علت ايجاد گرد و غبار زياد، انتخاب اين روش از لحاظ ايجاد آلودگي‌هاي زيست‌محيطي، توصيه نمي‌شود.
-
روش تلاطمي
اين روش در اواخر دهه 1960 و اوايل دهه 1970 به صنعت معرفي شد. در اين روش، سرباره وارد مخزني با ديواره‌هاي نسوز مي‌شود. سپس، مخزن به يك ماشين همزن منتقل مي‌شود كه مجهز به ابزاري براي هم‌زدن سرباره است. بعد از 4تا6دقيقه هم زدن سرباره، محتواي مخزن به قالب شمش‌ريزي منتقل مي‌شود. ايجاد تلاطم، اكسيداسيون و فرايند ترميت را افزايش داده و موجب تشكيل سرباره به صورت خاكستر مي‌شود كه انجام فرايند مرحله بعد در مور آنها مشكل خواهد بود. ميزان بازيافت در اين روش به طور متوسط 40درصد است.
-
خنك‌كننده‌هاي چرخشي
از خنك‌كننده‌هاي چرخشي، براي نخستين بار در 1970 استفاده شد. اين سيستم از 4جزء تشكيل شده است كه عبارتند از:
1. ظرفي استوانه‌اي شكل كه از قسمت خارجي با آب خنك مي‌شود.
2.وسيله‌اي براي شارژكردن سيستم.
3. غربال.
4. سيستم كنترل آلودگي.
در اين روش، سرباره‌گيري توسط ملاقه‌هايي بزرگ و سوراخدار انجام شده و سرباره خارج شده به محفظه‌هاي استوانه‌اي شكل انتقال مي‌يابد. اين محفظه‌ها، مي‌چرخند و در حين چرخش، يا در آب فروبرده مي‌شوند و يا آب بر روي آنها اسپري مي‌شود. نحوه خنك كردن در اين روش، منجر به افزايش ميزان بازيابي به ميزان 50 تا 60درصد مي‌شود. از ديگر مزاياي اين خنك‌كننده‌ها، امكان كنترل فرايند ترميتي است. از معايب اين روش، هزينه بالاي سرمايه‌گذاري و خطرهاي احتمالي ناشي از انجام فرايند پاشش آب بر روي سرباره داغ و آلومينيم مذاب است. به همين دليل از اين روش بندرت استفاده مي‌شود.
-
خنك‌كننده‌هاي گاز خنثي
اين روش در اوايل دهه 1990 تجاري شد. اين سيستم، شامل قاب‌هاي بزرگ فولادي و ايستگاه‌هاي خنك‌كاري بوده كه در آن، هوا با گاز آرگون يا در برخي موارد نيتروژن، جايگزين مي‌شود تا از اكسيداسيون بيشتر سرباره جلوگيري شود.
نحوه عمل اين سيستم‌ها، شباهت بسياري به خنك‌كننده‌هاي چرخشي دارد، اما با توجه به زمان زياد خنك‌كاري (12تا24ساعت) بايد از قاب‌ها و ايستگاه‌هاي خنك‌كاري زيادي استفاده شود كه اين امر به فضايي بيشتر نياز دارد. گفتني است كه خواص خنك‌كنندگي قاب‌ها، اهميت به مراتب بيشتري از افزودن گاز خنثي دارد، به طوري كه حتي مي‌توان به منظور صرفه‌جويي‌هاي اقتصادي، از قاب‌هايي بدون ايستگاه خنك‌كاري استفاده كرد.
قاب‌ها، شرايط بازيابي را به ميزان 5 تا 10درصد افزايش داده و در بازيابي ثانويه، ميزان بازيافت به40 تا 50درصد مي‌رسد.
-
فشاري
اين روش كه از اوايل دهه 1990 تجاري شد، مبتني بر اين اصل است كه مايع تحت فشار، از جامد جدا شده و به سمت مناطق داراي حداقل فشار، جريان مي‌يابد.
سيستم فشار، شامل ملاقه‌اي سوراخدار و فولادي، واحد هيدروليك، كلاهك فشار و يك سري سيني است. سرباره وارد ملاقه شده و به سيستم فشار منتقل مي‌شود. سپس، كلاهك فشار به تدريج پايين مي‌آيد. اين فشار موجب مي‌شود كه مذاب به قالب شمش كه زيرملاقه قرار دارد، منتقل شود. از سوي ديگر، اين فشار منجر به «آگلومره» شدن ذرات آلومينيم موجود در سطح خارجي سرباره مي‌شود. اين امر از ايجاد گرد و غبار و انجام فرايند ترميت، جلوگيري مي‌كند.
شكل7: با فشردن سرباره توسط اين سيستم، آلومينيم از سرباره جدا مي‌شود.
 |
در اين روش، نه تنها سرعت سردشدن سرباره بالاست بلكه ميزان بازيابي آن به 60 تا 70درصد مي‌رسد. البته در مواردي كه سرباره سرد بوده و قابل فشردن نباشد، اين روش كاربردي ندارد.
در شكل 8، نتايج تحقيقي كه در اواسط دهه 1990 انجام شده است، ديده مي‌شود. در اين نمودار، تكنيك‌هاي مختلف مديريت سرباره با يكديگر مقايسه شده‌اند. در تمام اين روش‌ها، سرباره استفاده شده، كوره‌ها و اپراتورها، يكسان بوده‌اند.
شكل8: مقايسه روش‌هاي مختلف مديريت بازيافت سرباره
 |
-
كلاهك خنك‌كننده
گاهي، ميزان سرباره آنقدر اندك است كه استفاده از روش فشاري، امكان‌پذير نيست. در اين موارد، از روش كلاهك خنك‌كننده استفاده مي‌شود. اين روش، شامل ملاقه و كلاهك فولادي خنك‌كننده‌اي است كه روي ملاقه قرار مي‌گيرد. كلاهك، به كمك يك جرثقيل روي ملاقه قرار گرفته و با ايجاد فشار، نيمي از عمليات بازيافت آلومينيم از سرباره در مقايسه با فرايند فشاري، انجام مي‌شود. اين روش، براي سرباره‌هاي ترميتي بسيار مناسب است. كلاهك‌هاي مورداستفاده در اين روش، جرم بيشتري در مقايسه با كلاهك‌هاي مورداستفاده در فرايند فشاري دارند. ميزان بازيابي در اين روش 40 تا 60درصد است.
-
فرايند داغ
از اين روش، بيشتر در آسيا و برخي نقاط اروپا و امريكا استفاده مي‌شود.
به اين ترتيب كه، سرباره پس از سرباره‌گيري، بلافاصله به كوره‌اي چرخشي منتقل مي‌گردد كه از آن براي ايجاد تلاطم استفاده مي‌شود. در اثر تلاطم، ذرات آلومينيم به يكديگر متصل شده و پس از مدتي فلز مذاب از كوره خارج مي‌شود. كوره چرخشي، مي‌تواند با حداقل ميزان نمك كاركند، به اين شرط كه همراه با سرباره، قراضه‌هاي تميز نيز به كوره اضافه شود. اين امر به سردشدن مواد و كنترل فرايند ترميت كمك مي‌كند. در اين روش، ميزان بازيابي 5 تا 10درصد بيش از فرايند فشاري است. خنك‌كاري پسماندهاي اكسيدي، مهم‌ترين چالش در استفاده از اين روش است.
نتيجه‌گيري
درك اين موضوع اهميت زيادي دارد كه برنامه مديريت موثر سرباره، از قراضه آغاز شده و با انتخاب سيستمي مناسب براي اداره و سردكردن سرباره و در نهايت، با انتخاب سيستم و روشي مناسب براي استفاده از سرباره ثانويه، ادامه مي‌يابد.
مرور ساده فعاليت‌هاي هر روزه نظير عمليات سرباره‌گيري يا مديريت دماي كوره اغلب مي‌تواند به رفتاري موثر در افزايش منافع شركت بينجامد.
شركت‌هايي كه امروزه بر مديريت سرباره تمركز كرده‌اند، نه تنها قيمت محصولات خود را به حداقل مي‌رسانند بلكه از ديگر مزاياي مديريت سرباره بويژه مزاياي زيست‌محيطي آن، بهره‌مند مي‌شوند.
منابع:
1. James Herbert, C.Eng.Vice President, "Maximizing dross values and minimizing dross generation", Aluminium Times, September 2007.
2. James Herbert, C.Eng. Vice President, "The art of dross management", Aluminium Times, Setember 2007.
3. محمد ضرغامي، عمليات كيفي ريخته‌گري آلياژهاي آلومينيم و محاسبه موادبري، نشريه صنعت خودرو، بهمن 1385.
منبع: یادداشت های یک دانشجوی متالورژی
نظرات
ارسال یک نظر