Технологические основы получения материалов и изделий из сыпучих отходов сплавов алюминия

В монографии изложены результаты исследований по 
разработке технологий получения деформированных 
полуфабрикатов из стружковых отходов алюминиевых 
сплавов с применением методов порошковой металлургии и обработки металлов давлением.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ 

ПОЛУЧЕНИЯ  МАТЕРИАЛОВ  И  ИЗДЕЛИЙ 

ИЗ  СЫПУЧИХ  ОТХОДОВ  

СПЛАВОВ  АЛЮМИНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  ПОЛУЧЕНИЯ  МАТЕРИАЛОВ  И  ИЗДЕЛИЙ 

ИЗ  СЫПУЧИХ  ОТХОДОВ СПЛАВОВ  АЛЮМИНИЯ

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  
ПОЛУЧЕНИЯ  МАТЕРИАЛОВ  И  ИЗДЕЛИЙ  
ИЗ  СЫПУЧИХ  ОТХОДОВ   
СПЛАВОВ  АЛЮМИНИЯ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019 

Оглавление 
 

2 

УДК 669.715.002.68 
ББК 34.233.1 
         Т384 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Г. А. Орлов, доктор технических наук, профессор Уральского федерального университета; 
М. А. Полякова, доктор технических наук, доцент Магнитогорского 
государственного технического университета им. Г. И. Носова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Т384  
Технологические основы получения материалов и изделий 
из сыпучих отходов сплавов алюминия : монография / Н. Н. Загиров, Ю. Н. Логинов, С. Б. Сидельников, Е. В. Иванов. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2019. – 204 с. 
ISBN 978-5-7638-4151-0 
 
В монографии изложены результаты исследований по разработке технологий получения деформированных полуфабрикатов из стружковых отходов 
алюминиевых сплавов с применением методов порошковой металлургии и обработки металлов давлением.  
Предназначена для научных сотрудников, аспирантов и инженернотехнических работников, специализирующихся в области металлургического 
производства длинномерных изделий из алюминиевых сплавов и переработки 
металлических отходов из них, а также может быть полезна студентам, обучающимся по направлению «Металлургия». 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 669.715.002.68 
ББК 34.233.1 
 
ISBN 978-5-7638-4151-0                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2019 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 6 
 
1. РЕЦИКЛИНГ  СПЛАВОВ  АЛЮМИНИЯ   
    И  ОСНОВНЫЕ  АСПЕКТЫ,  УЧИТЫВАЕМЫЕ  
    ПРИ  ЕГО  ОРГАНИЗАЦИИ .......................................................................... 8  
1.1. Классификация отходов и лома алюминиевых сплавов 
       и особенности их подготовки к переработке ....................................... 8 
1.2. Обзор существующих методов переработки  
       стружковых отходов алюминиевых сплавов ...................................... 13 
1.3. Переработка сыпучих отходов алюминиевых сплавов  
       с использованием плавильного передела  
       и основные направления по ее усовершенствованию ....................... 20  
1.4. Влияние газовой фазы, заполняющей поры,  
       на характер деформации сжимаемой среды ....................................... 28 

2. МАТЕРИАЛЫ  И  ТЕХНОЛОГИИ,  ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ  
    ПРИ  ПЕРЕРАБОТКЕ  СТРУЖКОВЫХ  ОТХОДОВ 
    АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ .................................................................. 38  

2.1. Требования к исходному вторичному сырью, поступающему 
       в переработку для получения  
       из него полуфабрикатов и изделий ...................................................... 38 
2.2. Общая характеристика сплава АД31  
       с указанием мест образования стружковых отходов и их видов ..... 41 
2.3. Отходы при изготовлении литых дисков колес  
       из силумина АК12  и технология их переработки ............................. 46 
2.4. Технологии переработки сыпучих металлических отходов 
       с использованием приемов порошковой металлургии  
       и процессов обработки давлением ....................................................... 53 
2.5. Моделирование процесса резки и оценка уровня  
       нагартовки стружки из алюминиевого сплава,  
       предназначенной для последующей обработки давлением .............. 58 
 
 
 

Оглавление 
 

4 

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ  ПРУТКОВО-ПРОФИЛЬНОЙ  ПРОДУКЦИИ  
    ИЗ  СОРТНЫХ СЫПУЧИХ  ОТХОДОВ  
    АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ  
    С  ПРИМЕНЕНИЕМ  МЕТОДА  ДИСКРЕТНОЙ  ЭКСТРУЗИИ ............ 64 
3.1. Особенности брикетирования и влияние способа реализации 
       процесса экструзии на свойства полуфабрикатов  
       и изделий из сыпучей стружки сплава АД31 ..................................... 64 
3.2. Получение из сортных стружковых отходов сплава АД31  
       прутков модифицирующего назначения  
       и высокопористого материала .............................................................. 84 
3.3. Особенности изготовления прутков и проволоки  
       из стружки силуминов с использованием схемы  
       дискретной горячей экструзии ............................................................. 91  
3.4. Оценка модифицирующей способности прутков  
       из силумина АК12, полученных из сортных  
       сыпучих стружковых отходов ............................................................ 105 
3.5. Изготовление прутков и проволоки из стружки силумина  
       с использованием заготовок-брикетов, полученных  
       холодным брикетированием ............................................................... 114 
 
4. ПРИМЕНЕНИЕ  МЕТОДА  СОВМЕЩЕННОЙ  
    ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ  ДЛЯ  ПЕРЕРАБОТКИ 
    СЫПУЧЕЙ  СТРУЖКИ  АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ ..................... 123 
4.1. Расчетно-экспериментальная оценка условия реализации  
       процесса совмещенной прокатки-прессования  
       с использованием метода баланса мощностей ................................. 123 
4.2. Моделирование уплотнения пористого материала  
       в совмещенном процессе прокатки-прессования ............................. 131 
4.3. Возникновение зон неконтактной деформации 
       в процессе прокатки-прессования пористого прутка ...................... 137 
4.4. Исследование деформации в пористом прутке  
       из алюминиевого сплава АД31 при волочении ................................ 141 
4.5. Исследование структуры и свойств  
       прутково-проволочной продукции из стружки  
       сплава АД31, полученной с применением метода  
       совмещенной прокатки-прессования ................................................. 147 
4.6. Исследование структуры и свойств прутково-профильной  
       продукции из стружковых отходов литейного 
       силумина АК12, полученной с применением метода 
       совмещенной прокатки-прессования ................................................. 159 
 

Оглавление 
 

5 

4.7. Сравнительный анализ технологий изготовления  
       сварочной проволоки из эвтектического силумина  
       с применением совмещенных методов обработки ........................... 168 
 
5. НОВЫЕ  ТЕХНИЧЕСКИЕ  РЕШЕНИЯ  ДЛЯ  ПОЛУЧЕНИЯ  
    ПОЛУФАБРИКАТОВ  И  ИЗДЕЛИЙ  ИЗ  СЫПУЧИХ 
    СТРУЖКОВЫХ  ОТХОДОВ  АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
    С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  НЕПРЕРЫВНЫХ   
    МЕТОДОВ  ПРЕССОВАНИЯ ................................................................... 177  
5.1. Устройства для непрерывного прессования  
       сыпучих материалов на базе метода Конформ  
       с неподвижным прессовым узлом ...................................................... 177 
5.2. Устройства для непрерывного прессования  
       сыпучих материалов на базе метода Конформ  
       с подвижным прессовым узлом .......................................................... 181  
 5.3. Устройства для непрерывного прессования  
        сыпучих материалов на базе метода Экстроллинг .......................... 186 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 191 
 
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ  ЛИТЕРАТУРА ......................................................... 193 

Введение 
 

6 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Повышенный интерес к металлургии вторичного алюминия, в последние годы выражающийся в относительно стремительных темпах развития 
указанного производства, обусловлен высокими технико-экономическими 
показателями в структуре себестоимости продукции и возможностью реализации его в экологически более чистых вариантах [1].  
Около 90 % произведенного вторичного алюминия используется 
в автомобильной промышленности в качестве литейных сплавов, а остальная 
доля приходится на деформируемые сплавы алюминия, из которых  получают изделия обработкой давлением [2]. Вопросы переработки образующихся в 
том или ином виде отходов играют существенную роль в цикле изготовления 
продукции из алюминия и его сплавов. Объем перерабатываемого металла в 
последнее время постоянно увеличивается, поэтому стремления промышленных работников направлены на реализацию новых более совершенных технологий вовлечения образующихся отходов в производственный оборот.  
Так, например, транснациональная алюминиевая компания Hydro, Норвегия 
(с производством полного цикла), одной из целей в своей стратегии развития 
прописывает увеличение объемов производства, связанного с переработкой 
вторичного алюминия. В Hydro делают прогноз об увеличении объема перерабатываемого вторичного алюминия и фокусируются [3]: 
● на поддержании высокого качества продуктов из переработанного 
вторичного алюминия; 
● сокращении потерь металла в процессе переработки; 
● уменьшении вредных выбросов в атмосферу и улучшении всего 
производственного процесса; 
● разработке новых сплавов, из которых в дальнейшем можно изготавливать продукцию специального назначения. 
При оценке преимуществ получения цветных металлов и сплавов из 
отходов производства по сравнению с их получением из рудного сырья руководствуются следующими показателями: содержанием металла в сырье, 
извлечением его в готовую продукцию, расходом топливно-энергетических 
ресурсов, количеством отходящих газов, которое определяет капитальные 
и эксплуатационные затраты на их очистку. 
Исходным материалом для вторичной переработки алюминия является 
скрап, в котором алюминий присутствует как металл. Материал, содержащий алюминий в его неметаллической форме, такой как оксид алюминия, 
не может быть переработан с получением металлического алюминия.  

Введение 
 

7 

Весь имеющийся скрап делится на две категории: чистый скрап 
и скрап с засором. Чистый скрап образуется при производстве как деформируемых полуфабрикатов (профили, листы, трубы и т. п.), так и литых изделий. Состав этого скрапа хорошо контролируется путем его химического 
и рентгенофазового анализа. Как правило, подобный тип отходов загружается непосредственно в отражательную плавильную печь. Такой способ переработки характеризуется высоким выходом годного металла (95÷97 %), 
а также хорошей производительностью. На металлургических предприятиях 
полученную таким образом продукцию (слитки и чушки) обычно используют 
в качестве внутреннего шихтового материала, в том числе для корректировки 
химического состава выплавляемого сплава соответствующей марки. 
Обрезь и стружка, образующиеся в процессе механической обработки 
алюминия чаще всего не содержат никаких покрытий и также могут быть 
отнесены к чистому скрапу. Однако при этом на их поверхности могут оставаться следы смазочно-охлаждающих масел или эмульсии, используемых при механической обработке, поэтому их рекомендуется удалять путем промывки, сушки и обжига данного вида скрапа перед началом плавления. Кроме того, из-за большой удельной поверхности материала отдельные фрагменты скрапа могут быть покрыты окисной пленкой. Толщина этой пленки зависит от эффективности процесса сушки и отжига, 
а также от того, как долго и в каких условиях хранился материал. 

Стоит отметить, что рациональная переработка отходов производства 

по-прежнему остается важной задачей для предприятий металлургической 
отрасли. Благодаря переработке металлического лома удается достичь         
существенного снижения затрат для всего производства. Экономия проявляется и в затратах на приобретение основного материала шихтового типа, 
и в расходах на оплату энергоресурсов, и во многом другом. За счет переработки и вторичного использования лома металла снижается общая нагрузка на природные ресурсы, которые достаточно сильно истощились 
к настоящему времени, а также улучшается общая экологическая обстановка. 

Однако осуществляемая система переработки отходов цветных          

металлов через их переплав не полностью удовлетворяет требованиям экономии и рационального использования вторичных металлов и сплавов.  
Недостаточная эффективность традиционной технологии при переработке, 
например, стружковых отходов обусловлена такими факторами, как повышенный угар металла, увеличенный объем газопылевых выбросов, значительные затраты электроэнергии на переплав, высокая трудоемкость. 
Альтернативой традиционному способу переработки указанных отходов 
может служить подход, основанный на комбинировании приемов, применяемых в порошковой металлургии, и традиционных процессов обработки 
металлов давлением (ОМД). 

1. Рециклинг сплавов алюминия и основные аспекты, учитываемые при его организации 
 

8 

1. РЕЦИКЛИНГ  СПЛАВОВ  АЛЮМИНИЯ  

И  ОСНОВНЫЕ  АСПЕКТЫ,  УЧИТЫВАЕМЫЕ  

ПРИ  ЕГО  ОРГАНИЗАЦИИ 
 
 
1.1. Классификация отходов и лома алюминиевых сплавов 
и особенности их подготовки к переработке 
 
Термины и определения, используемые в данном параграфе, установлены ГОСТ 1639−93 [4], который обязывает применять их в науке, технике 
и производстве. 
К потенциальным вторичным ресурсам относится весь объем отходов, образующихся в сферах производства и потребления, кроме безвозвратных потерь.  
Согласно этому стандарту отходы производства – это остатки         
сырья, материалов и полуфабрикатов, образующиеся в процессе производства, которые частично или полностью утратили первоначальные потребительские качества и не соответствуют стандартам. 
Отходы потребления − это бывшая в употреблении или эксплуатации готовая продукция, которая в результате физического или морального 
износа утратила свои потребительские качества и не используется по прямому назначению. 
Отходы производства и потребления делятся: 
● на утилизируемые, для которых существует определенная технология переработки, вовлечения их в оборот; 
● неутилизируемые, для которых отсутствует технология переработки 
или при наличии технологии утилизации экономически нецелесообразно 
вовлечение в оборот. 
Отходы делят на классы, группы и сорта. Класс − классификационная группа, объединяющая отходы по физическим признакам; группа объ-
единяет отходы по химическим признакам; сорт − по признакам качества. 
По источникам образования отходы производства можно разделить: 
● на отходы металлургического передела (шлаки, съемы, сплесы и др.); 
● отходы производства изделий обработкой давлением (обрезь прутков, листов, профилей, стружка, опилки и др.); 
● отходы литейного производства (литники, прибыли, съемы, сплесы и др.); 

1.1. Классификация отходов и лома алюминиевых сплавов и особенности их подготовки к переработке 
 

9 

● отходы механической обработки литья, прессованных изделий,  
поковок и т. д. (стружка, высечка, обрезь, облой и др.); 
● отходы кабельного производства (обрезь концов кабеля и проволоки, путанка и др.). 
Стружка, о переработке которой в основном пойдет речь ниже, представляет собой отходы, образующиеся при обработке полуфабрикатов 
и изделий на металлорежущих станках. Она делится на вьюнообразную     
(с длиной витка более 100 мм), сыпучую (с длиной витка менее 100 мм) 
и смешанную, а также низкокачественную, состоящую из смеси вьюнообразной и сыпучей стружки, содержащей посторонние включения. 
В Европе, например в таких странах, как Германия, Австрия, Чехия, 
при рассмотрении вопросов получения алюминия из вторичного сырья 
принята следующая классификация алюминиевых отходов по внешним 
признакам (табл. 1.1) [5]. 
 
Таблица 1.1 

Европейская классификация вторичного алюминиевого сырья 

Название 
Характеристики категории ломов и скрапа 

Abweg 
Незасоренный электротехнический лом, проволочный скрап из чистого 
алюминия без инородных примесей 

Alter 
Лом и чистый скрап из прессованных профилей, не содержащие примесей и инородных включений 

April 
Дробленые материалы, полученные прокаткой, используемые в бытовых 
электроприборах и не содержащие сплавов системы Al−Cu и Al−Zn 

Apsis 
Измельченный лом и отходы, содержащие железо 

Assel 
Литейный скрап (литники, донники, обрезь, крупная стружка), не содержащий железа 

Autor 
Мелкая стружка и обрезь после механической обработки изделий 

 
Далее кратко рассмотрим вопросы подготовки некоторых видов          
отходов к плавке, практически не отличающиеся от тех, что должны учитываться при переработке отходов другими способами. 
Подготовка к переработке стружки. В настоящее время из всех  
видов промышленных отходов, поступающих на металлургические заводы 
для переплавки, максимальная доля приходится на стружку, которая составляет порядка 40 % [6]. Поэтому можно ожидать, что состояние этого 
вида сырья будет влиять на качество выплавляемых сплавов больше, чем 
другие типы отходов.  
Вторичная металлургия алюминия имеет свою специфику, поскольку 
оксид алюминия, образовавшийся в процессе хранения или при переплавке, 
не восстанавливается. Следовательно, входящий в его состав алюминий 
безвозвратно теряется. Кроме того, оксид алюминия трудно полностью от