Алюминий в авиации: от производства самолетов до переработки лома

Алюминий был основой самолетостроения на протяжении десятилетий, неся нас в небесах во всем, от небольших винтовых самолетов до больших реактивных самолетов. Но что происходит со всем этим алюминием, когда самолет списывается? В этой статье мы рассмотрим полный жизненный цикл алюминия в авиации — от того, почему он используется в самолетостроении, до используемых сплавов, насколько типичный самолет состоит из алюминия. Наконец, мы расскажем, что происходит, когда самолеты достигают конца своего срока службы. 

Почему алюминий используется в авиации

Алюминий является основным металлом для производства самолетов благодаря уникальному сочетанию свойств. 

Прежде всего, он очень легкий для металла – около трети веса стали по объему. Это имеет решающее значение для того, чтобы самолет был максимально легким. 

Однако, несмотря на свой малый вес, алюминий (особенно в сплаве с другими элементами) может быть очень прочным, обеспечивая высокое соотношение прочности и веса. 

Алюминий также является естественным коррозионно-стойким (он образует защитный оксидный слой). Это заметное преимущество, когда планеру самолета приходится годами выдерживать воздействие погоды, влажности и перепадов температур. 

Фактически, алюминиевые сплавы могут быть такими же прочными, как некоторые стали, при весе в несколько раз меньшем. Они также хорошо противостоят напряжению и усталости, если их правильно спроектировать.

Благодаря такому балансу легкости, прочности и долговечности алюминий с самого начала занял свое место в авиации.

Другая причина, по которой алюминий остается популярным, — его экономическая эффективность. Хотя такие материалы, как титан или композиты из углеродного волокна, могут предложить более высокую прочность или даже меньший вес, они значительно дороже. 

Очевидно, алюминий попал в точку, которую так любят инженеры аэрокосмической отрасли. Он достаточно прочен, чтобы построить безопасный самолет, достаточно легок, чтобы улучшить топливную экономичность, и достаточно доступен, чтобы использовать его в больших количествах.

Распространенные алюминиевые сплавы в самолетостроении

В авиации постоянно встречаются несколько семейств сплавов:

• Алюминий 2024 (сплав Al-Cu)

• Алюминий 7075 (сплав Al-Zn-Mg-Cu)

• Алюминиево-литиевые сплавы 6061 

Каждый сплав выбирается на основе конкретных потребностей детали самолета. Это может быть сопротивление усталости металла, выдерживание высоких нагрузок или простота формовки и заклепывания. Результатом является типичный планер самолета, состоящий из множества различных алюминиевых сплавов, каждый из которых оптимизирован для крыльев, фюзеляжа, дверей и т. д. 

Разнообразие сплавов в одном самолете создает сложности, когда дело доходит до переработки (поскольку в идеале каждый тип должен перерабатываться отдельно), к этому вопросу мы вернемся позже.

Демонтаж и вывоз материалов

Самолеты не вечны. Авиакомпании списывают самолеты по экономическим или соображениям безопасности после 20-30 лет службы (иногда больше). Во всем мире сотни самолетов списываются и разбираются каждый год — по некоторым оценкам , более 600 коммерческих самолетов ежегодно достигают конца срока службы. 

Именно здесь путь алюминия для аэрокосмической отрасли замыкается, и на сцену выходят специализированные предприятия по вывозу и переработке металлолома.

Когда самолет планируется утилизировать, процесс носит методичный характер и направлен на максимально возможное повторное использование и переработку. 

Это не так просто, как разбить самолет строительным бастионом. 

Вместо этого профессиональные бригады по демонтажу следуют многоэтапной процедуре:

1. Вывод из эксплуатации и устранение опасностей

2. Разборка компонентов (сборка деталей)

3. Разделение материалов

4. Измельчение и дробление

После того, как самолет полностью разобран, фокус переключается на переработку восстановленного алюминия и других металлов. Путешествие еще не закончено — лом необходимо переработать и очистить, чтобы превратить его обратно в полезный материал.

Переработка авиационного алюминия

Переработка алюминия из самолета не так проста, как переработка алюминиевых банок. Аэрокосмический алюминий отличается высоким качеством, но к моменту сдачи в металлолом он также представляет собой смесь различных сплавов и может иметь насадки или покрытия, с которыми нужно иметь дело. 

На этом этапе компаниям по вывозу и переработке металлолома приходится решать ряд задач:

Загрязнение и очистка

Авиационный алюминиевый лом часто содержит загрязняющие вещества, которые необходимо удалить перед плавкой. Это может быть краска (самолеты красятся грунтовками и финишными покрытиями), герметики и клеи, кусочки изоляции или коврового клея и даже остатки смазки или масла. 

Любое неметаллическое загрязнение может вызвать проблемы в печи переработки. Например, горящая краска может выделять вредные пары, а остатки масла могут вызывать вспышки. 

Поэтому лом обычно очищают или удаляют покрытие, насколько это возможно. Существуют такие технологии, как термическое удаление покрытия, когда алюминиевые детали нагреваются контролируемым образом, чтобы выжечь краску и покрытия.

Рабочие или машины также могут физически снимать оставшиеся болты или фитинги с алюминиевых панелей, чтобы избежать попадания в них других металлов. Чем чище лом, тем выше качество переработанного алюминия.

Разделение сплава

Возможно, самая большая проблема заключается в том, что алюминий самолета не является единым типом — это смесь сплавов серий 2000, 7000 и, возможно, других. Если все эти разные сплавы сплавить вместе хаотично, химия полученного металла будет разной. 

Переработчики хотят избежать «понижения» качества металла. Это означает смешивание сплавов высокого качества, в результате чего вы получите только низкосортный сплав, пригодный, например, для литья или простых форм. Разделение сплавов — сложная, но важная задача. 

Для идентификации деталей из сплава используются передовые методы сортировки лома. Одним из передовых подходов является использование лазерно-индуцированной спектроскопии разрушения (LIBS), где лазер анализирует состав каждого куска лома и сортирует его соответствующим образом.

LIBS и аналогичные системы могут быстро сортировать алюминиевый лом по сорту, но для получения точных показаний им требуются чистые образцы (без краски или масла).

Другие методы основаны на простой физике. Например, вихретоковые сепараторы и разделение на основе плотности могут различать такие металлы, как алюминий, магний и более тяжелые металлы по тому, как они реагируют на магнитные поля или тонут/плавают в жидкостях.

Сортировка аэрокосмического лома — это высокотехнологичная работа. Однако она позволяет переработчикам извлекать определенные сплавы, которые можно переплавлять в новые высококачественные продукты. 

На практике полное разделение затруднительно. Поэтому иногда лом сплавов может быть смешан со вторичными сплавами, используемыми для менее требовательных применений (например, литые алюминиевые детали). 

Исследователи активно ищут более эффективные способы извлечения сверхчистого алюминия из списанных самолетов, чтобы его можно было использовать при производстве новых самолетов.

Сложные сплавы и остаточные элементы

Даже если вы тщательно сортируете, переработанный алюминий часто будет иметь небольшие примеси или смесь легирующих элементов из различных отходов. Аэрокосмические сплавы сложны, и даже небольшое количество определенных примесей (например, железа или кремния в неправильном месте) может повлиять на производительность.

Иногда переработчикам приходится проводить дополнительную очистку — например, использовать фильтры или флюсы во время плавки для удаления примесей или даже такие процессы, как вакуумная перегонка, для удаления нежелательных элементов. 

Эта дополнительная обработка увеличивает стоимость. Сложность сплава является одной из причин, по которой исторически много аэрокосмического алюминиевого лома подвергалось даунциклингу (использовалось для производства низкосортной продукции, а не новых деталей самолетов). Однако по мере совершенствования технологий отрасль становится все более успешной в поддержании замкнутого цикла алюминиевых сплавов, сохраняя высокое качество.

Вопросы охраны труда и техники безопасности

В отличие от более простых продуктов, переработка самолета не полностью автоматизирована – это трудоемкий процесс. Для аккуратной разборки требуются квалифицированные специалисты, как для безопасного извлечения деталей, так и для избежания смешивания материалов. 

Им также необходимо с осторожностью обращаться с опасными материалами (например, вышеупомянутыми жидкостями и некоторыми композитными материалами).

Все эти трудозатраты и необходимость соблюдения мер безопасности приводят к тому, что стоимость переработки самолетов выше по сравнению со сдачей на слом более простых предметов, таких как автомобили или банки из-под напитков.

Также необходимо соблюдать строгие правила (например, некоторые отходы военных самолетов должны быть задокументированы и сертифицированы для уничтожения в целях безопасности, а переработка коммерческих самолетов может осуществляться в соответствии с рекомендациями таких организаций, как AFRA ( Ассоциация по переработке авиапарка ), чтобы обеспечить соблюдение передовых практик). 

Координация действий авиакомпаний, компаний по вывозу лома и предприятий по переработке отходов может оказаться непростой задачей.

Несмотря на эти проблемы, существуют серьезные стимулы и возможности для переработки аэрокосмического алюминия. 

Во-первых, алюминий сохраняет высокую ценность как металлолом — например, его стоимость за фунт намного выше, чем у стали, поэтому существует экономическая мотивация для его переработки. 

Во-вторых, экологические преимущества колоссальны. Переработка алюминия экономит около 95% энергии по сравнению с производством нового алюминия из бокситовой руды. 

Каждая тонна переработанного алюминия означает меньшую добычу бокситов и меньшее потребление электроэнергии, что является победой для планеты.

Более того, переработанный алюминий из самолетов может кормить многие отрасли. Он может пойти обратно в новые самолеты (некоторые производители реализуют инициативы по сбору старого лома и его переплавке для новых самолетов), или его можно использовать в автомобильных деталях, строительных материалах, электронике, как вы это называете.

Алюминий бесконечно пригоден для вторичной переработки – его можно плавить и повторно использовать многократно, не теряя своих свойств. Специализация на переработке авиационного алюминия может стать прибыльной нишей для предприятий по переработке металлолома, поскольку они обрабатывают большие объемы высококачественного материала. 

Заключение: Замыкание цикла в авиационном алюминии

С момента постройки самолета алюминий сопровождает его в полете — буквально. Он формирует крылья и корпус, которые парят на высоте 30 000 футов. Спустя десятилетия, когда самолет готов уйти на пенсию, алюминий снова оказывается в центре внимания как ценный ресурс, подлежащий восстановлению. 

Большой самолет может содержать алюминиевый сплав стоимостью в десятки тысяч долларов. Компании по переработке металлолома могут получать прибыль от утилизации этих металлов, а производители, в свою очередь, получают относительно более дешевый материал, чем чистый алюминий. 

Правильная переработка и переработка отходов абсолютно необходимы для работы этого цикла.

Источник: https://www.scrapgators.com/aluminum-in-aviation-from-aircraft-production-to-scrap-recycling/