مقدمه ای بر اهمیت بازیافت الومینیوم و چالش های آن

در دنیای مدرن امروز، بازیافت الومینیوم نه تنها یک ضرورت زیست محیطی است، بلکه از نظر اقتصادی نیز اهمیت بسیار بالایی دارد. تولید الومینیوم از قراضه و ضایعات، به انرژی بسیار کمتری در مقایسه با استخراج ان از سنگ معدن بوکسیت نیاز دارد. با این حال، تولید شمش های بازیافتی با کیفیت بالا چالش های خاص خود را دارد. ضایعات الومینیوم معمولا حاوی مقدار زیادی الودگی، روغن، رنگ و اکسیدهای سطحی هستند. هنگامی که این ضایعات ذوب می شوند، این ناخالصی ها وارد مذاب شده و کیفیت شمش نهایی را به شدت کاهش می دهند. در این میان، بررسی تاثیر فلاکس و گاززدایی بر خواص مکانیکی شمش الومینیوم بازیافتی به یک موضوع حیاتی برای مهندسان متالورژی و تولید کنندگان تبدیل شده است. بدون استفاده از تصفیه کننده ها و روش های خروج گاز، شمش خروجی دارای تخلخل بالا و استحکام بسیار پایینی خواهد بود.

مشکلات اصلی در مذاب الومینیوم بازیافتی

برای درک بهتر راه حل ها، ابتدا باید بدانیم چه چیزی کیفیت مذاب را تهدید می کند. دو دشمن اصلی در ریخته گری الومینیوم بازیافتی وجود دارد:

• اول، ناخالصی های جامد و اکسیدها (اکسید الومینیوم یا دروس) و
•  دوم، گاز هیدروژن محلول در مذاب

الومینیوم در حالت مذاب میل ترکیب بسیار بالایی با اکسیژن و رطوبت دارد. رطوبت موجود در هوا یا روی سطح قراضه ها در تماس با مذاب تجزیه شده و گاز هیدروژن ازاد می کند. هیدروژن به راحتی در مذاب الومینیوم حل می شود. مشکل زمانی اغاز می شود که مذاب شروع به انجماد می کند؛ حلالیت هیدروژن در حالت جامد به شدت کاهش می یابد و این گاز سعی می کند از فلز خارج شود. نتیجه این فرایند، گیر افتادن حباب های گاز در داخل قطعه و ایجاد تخلخل های گازی (Porosity) است. این تخلخل ها مانند ترک های ریز عمل کرده و خواص مکانیکی قطعه را نابود می کنند.

فلاکس ها (تصفیه کننده ها) چیستند و چگونه عمل می کنند؟

فلاکس ها ترکیبات شیمیایی خاصی هستند (معمولا بر پایه نمک های کلرید و فلوراید مانند کلرید سدیم و کلرید پتاسیم) که به صورت پودر، گرانول یا قرص به مذاب اضافه می شوند. هدف اصلی فلاکس زنی، جدا سازی ناخالصی ها از فلز مایع و محافظت از مذاب در برابر اکسیداسیون مجدد است.

انواع فلاکس ها در صنعت الومینیوم به چند دسته اصلی تقسیم می شوند:

1. فلاکس های پوششی (Covering Fluxes): این مواد روی سطح مذاب پخش می شوند و یک لایه محافظ ایجاد می کنند. این لایه جلوی تماس مستقیم اکسیژن هوا با الومینیوم مایع را می گیرد و از اکسید شدن بیشتر جلوگیری می کند.

2. فلاکس های تمیز کننده (Cleaning Fluxes): این تصفیه کننده ها به داخل مذاب تزریق می شوند. وظیفه ان ها چسبیدن به ذرات ریز اکسید و ناخالصی های معلق در مذاب و شناور کردن ان ها به سطح است. در سطح مذاب، این ناخالصی ها به شکل تفاله (Dross) جمع اوری می شوند.

3. فلاکس های دروس گیر (Drossing Fluxes): این مواد باعث می شوند که تفاله های ایجاد شده روی سطح مذاب، حالت پودری به خود بگیرند و الومینیوم مایع گیر افتاده در میان تفاله ها دوباره به داخل حوضچه مذاب برگردد. این کار راندمان تولید شمش را به شدت بالا می برد.

4. فلاکس های بهسازی و ریز کننده دانه (Modifying and Refining Fluxes): این دسته از مواد افزودنی، ساختار کریستالی الومینیوم را در حین انجماد تغییر می دهند و باعث می شوند دانه های درشت به دانه های بسیار ریز و یکنواخت تبدیل شوند.

تاثیر فلاکس بر ریزساختار و خواص مکانیکی شمش

ریزساختار یک شمش الومینیوم تعیین کننده اصلی خواص فیزیکی و مکانیکی ان است. زمانی که از فلاکس های مناسب در بازیافت استفاده می شود، ذرات سخت و شکننده اکسیدی از بین می روند. اگر این ذرات در شمش باقی بمانند، در هنگام اعمال نیرو به قطعه، به عنوان نقاط تمرکز تنش عمل کرده و باعث شکستگی زودرس می شوند.
علاوه بر این، استفاده از فلاکس های ریز کننده دانه باعث می شود که ساختار دندریتی (درختچه ای) الومینیوم در زمان انجماد شکسته شده و دانه ها کروی تر و کوچکتر شوند. طبق اصول علم مواد، هرچه دانه بندی فلز ریز تر باشد، استحکام تسلیم، استحکام کششی و انعطاف پذیری (درصد ازدیاد طول) به طور همزمان افزایش می یابند. بنابراین، شمش خروجی در برابر ضربه و کشش مقاومت بسیار بالاتری از خود نشان می دهد.

روش های گاززدایی در مذاب الومینیوم ضایعاتی

همانطور که اشاره شد، هیدروژن عامل اصلی تخلخل است. برای خروج هیدروژن از مذاب، باید از روش های گاززدایی (Degassing) استفاده کرد. گاززدایی به طور کلی بر این اصل استوار است که حباب های یک گاز خنثی را وارد مذاب می کنند. گاز هیدروژن محلول در مذاب، به داخل این حباب های گاز خنثی نفوذ کرده و همراه با ان ها به سطح مذاب امده و خارج می شود. روش های متعددی برای این کار وجود دارد:

1. گاززدایی با قرص های شیمیایی: در کارگاه های کوچک ریخته گری، معمولا از قرص های حاوی هگزاکلرواتان استفاده می شود. این قرص ها با یک ابزار زنگوله ای شکل به کف کوره برده می شوند. با ذوب شدن قرص، گازهایی تولید می شود که در مسیر بالا امدن، هیدروژن را با خود خارج می کنند. این روش ساده است اما راندمان بسیار بالایی ندارد و ممکن است گازهای سمی تولید کند.

2. گاززدایی چرخشی (Rotary Degassing): این روش یکی از موثر ترین و استاندارد ترین روش ها در صنعت امروز است. در این روش، یک شفت و روتور گرافیتی وارد مذاب می شود و با سرعت بالا می چرخد. همزمان، گاز خنثی (مانند ارگون یا نیتروژن) از طریق شفت به داخل مذاب تزریق می شود. چرخش روتور باعث می شود حباب های گاز خنثی به هزاران حباب بسیار ریز تبدیل شده و در تمام حجم مذاب پخش شوند. حباب های ریز تر سطح تماس بیشتری دارند و هیدروژن بسیار بیشتری را جذب می کنند.

3. گاززدایی اولتراسونیک: این یک روش نوین است که در ان از امواج فراصوت برای ایجاد حفره سازی (کاویتاسیون) در مذاب استفاده می شود که به خروج سریع گازها کمک می کند.

ترکیب جادویی: استفاده همزمان از فلاکس و گاززدایی چرخشی

برای رسیدن به بالاترین سطح کیفیت در شمش های بازیافتی، کارخانه های پیشرفته از دستگاه های تزریق فلاکس متصل به گاززدای چرخشی استفاده می کنند. در این حالت، پودر فلاکس تصفیه کننده همراه با گاز ارگون از طریق روتور به کف مذاب تزریق می شود.
این کار یک هم افزایی بی نظیر ایجاد می کند. از یک طرف، گاز ارگون هیدروژن را خارج می کند و از طرف دیگر، ذرات فلاکس در تمام حجم کوره پخش شده و کوچکترین ذرات اکسیدی را به خود جذب می کنند. حباب های گاز همچنین به بالا امدن ذرات سنگین تر کمک می کنند. بررسی تاثیر فلاکس و گاززدایی بر خواص مکانیکی شمش الومینیوم بازیافتی نشان می دهد شمش هایی که با این روش ترکیبی تولید می شوند، دارای کمترین میزان تخلخل (نزدیک به صفر) هستند.

ارتقای چشمگیر استحکام و کیفیت نهایی شمش خروجی

زمانی که مذاب الومینیوم ضایعاتی به درستی فلاکس زنی و گاززدایی شود، تغییرات شگرفی در خواص مکانیکی ایجاد می شود. عدم وجود تخلخل به معنای یکپارچگی کامل سطح مقطع قطعه است. در ازمون های کشش، چنین شمش هایی تحمل نیروی بسیار بالاتری دارند و قبل از شکستن، به خوبی تغییر شکل پلاستیک می دهند.
همچنین در عملیات ماشین کاری، شمش هایی که فاقد ناخالصی های سخت اکسیدی هستند، عمر ابزارهای تراشکاری را به شدت افزایش می دهند و سطح نهایی قطعه پس از ماشین کاری بسیار صاف و صیقلی خواهد بود (برخلاف شمش های بی کیفیت که روی سطح ان ها حفره های ریز یا همان مک های گازی دیده می شود).

نکات کاربردی برای کارخانه های تولید شمش

برای اینکه فرایند های تصفیه و گاززدایی بهترین نتیجه را داشته باشند، کنترل دمای مذاب بسیار حیاتی است. دمای ایده ال برای انجام عملیات فلاکس زنی و گاززدایی معمولا بین هفتصد تا هفتصد و پنجاه درجه سانتی گراد است. اگر دما بیش از حد بالا باشد، حلالیت هیدروژن به قدری بالا می رود که گاززدایی بی فایده می شود و مذاب نیز بیشتر اکسید می شود. زمان گاززدایی نیز بسته به حجم کوره معمولا بین ده الی بیست دقیقه متغیر است. همچنین باید دقت کرد که فلاکس ها حتما خشک باشند، زیرا فلاکس مرطوب خود عامل ورود هیدروژن به مذاب خواهد بود.

نتیجه گیری

تولید شمش الومینیوم از مواد بازیافتی و ضایعات، یک فرایند بسیار سوداور و دوستدار محیط زیست است، اما کیفیت محصول نهایی کاملا به مدیریت علمی حوضچه مذاب بستگی دارد. فلاکس ها به عنوان تصفیه کننده های شیمیایی وظیفه پاکسازی مذاب از اکسیدهای مخرب و اصلاح ساختار دانه ها را بر عهده دارند. در کنار ان، روش های مختلف گاززدایی، به ویژه روش چرخشی با گاز خنثی، تخلخل های کشنده را از بین می برند. با اجرای دقیق این دو فرایند حیاتی، تولید کنندگان می توانند شمش هایی با استحکام کششی بالا، انعطاف پذیری مناسب و ریزساختاری متراکم تولید کنند که به راحتی با شمش های الومینیوم اولیه رقابت کرده و در حساس ترین صنایع مورد استفاده قرار گیرند