廢鋁再生技術分析與對策

胡妙關

（江蘇海光金屬有限公司，江蘇 宿遷 223700 ）

近二十年來，我國鋁行業經歷了從低靡到高漲的迅速發展，當前我國鋁使用量和電解鋁產量均已位于世界前列。但隨著鋁礦資源不斷減少以及環保問題逐漸突出，再生鋁技術的發展得到廣泛關注。再生鋁即使用回收的廢鋁為原料，進行一系列的加工熔化處理，最后經過提煉生產出鑄造鋁錠；而傳統制鋁是通過開采鋁土礦的方法，由于鋁的易氧化性，自然界不存在單質鋁，因此鋁土礦中主要含鋁成份是氧化鋁，對氧化鋁進行電解即可產生鋁單質。與鋁土礦電解制鋁相比再生鋁回收制鋁有以下幾點優勢，①再生鋁原料獲取成本更低，回收鋁廢料價格相對低，而開采鋁礦成本高；②再生鋁回收制鋁更加環保，再生回收方式壓縮了鋁在自然界中的循環時間，節約了自然資源；③再生鋁回收熔煉更節約能源，電解制鋁需要的更多能源，而再生鋁回收更節能。目前，全球再生鋁產量已達原鋁產量1/3，數據表明2020年全球再生鋁產量3471萬噸，與眾多發達國家相比，我國再生鋁產量與原鋁的比重很低，僅為16.26%，日本再生鋁產量占比達100%，美國為80%，歐洲一些發達國家再生鋁占比也較高，這就意味著我國需要耗費大量的能量資源去開采原鋁。而電解生產原鋁需要的能量是熔化廢鋁的20倍，每生產1噸再生鋁可節約標準煤443千克，少排放二氧化碳0.8噸、二氧化硫0.6噸，減少固體廢物20噸[1]。此外，在鋁消費方面，我國也是全球鋁消費大國，并且進十年來鋁消費呈連續增長，隨著社會經濟的發展，汽車行業、電纜行業、輕量化電子產品行業、以及航空航天行業對鋁的需求日益增加，我國對鋁資源需求與鋁供應之間的矛盾也逐漸突出，因此再生鋁技術發展受到廣泛關注，被認為是解決當前矛盾的可行策略。

1 再生鋁熔煉工藝

由于廢鋁類型混雜，不同廢鋁成分的含鋁量也不同，廢鋁中還含有其他金屬雜質等，因此廢鋁首先需要經過回爐熔化，之后再進過進行提煉處理等工藝才能再生使用。目前，在整個廢鋁熔煉工藝中，控制鋁錠性能品質有四個關鍵環節，即廢鋁回收、預處理、廢鋁熔煉和熔體凈化四個環節。

1.1 廢鋁回收

廢鋁是再生鋁原料的來源，因此廢鋁回收是鋁再生的首要環節，并且工作量巨大且繁雜，對鋁成分的含量、雜質含量都要進行不同程度的分級。發達國家對鋁再生技術研究較早，已經形成成熟的廢鋁回收體系，具備大型的廢鋁回收公司，例如美國鋁業、阿萊利斯等企業，其對廢鋁回收要求有著專業的標準；針對特殊行業西方國家有著專門的回收體系，例如汽車廢鋁的回收率達90%以上；并且在鋁資源利用上已經形成閉環生命周期，廢鋁處理站與鋁合金廠有穩定的合作關系，加速了廢鋁處理的過程。此外，政府部門對廢鋁再生相關問題十分重視，頒布了相關政策和行業標準進行規范和引導，并對民眾進行宣傳，鼓勵引導民眾回收廢鋁。而國內尚未形成完整的回收體系，廢鋁原料主要依靠進口。

1.2 預處理

經過廢鋁回收初步獲得再生鋁原料，但廢鋁中還具有各種雜質，成分復雜，例如油漆、塑料、泥土、其他金屬等等，因此還需要經過預處理去除雜質以及分類。預處理有拆解破碎、水洗、干燥、除雜、分選等步驟。拆解破碎較為簡單，國外已經實現自動化，國內多為人工分揀方式；除雜則是預處理的難點，需要進行多個流程，對于不同雜質有不同的方法。例如對于有機雜質，可以采用干濕法、脫漆爐去除廢鋁上的漆膜；對于塑料類雜質，可以根據其特點采用浮選法，塑料會漂浮在介質溶液從而方便去除；對于有特點的廢鋁可以創造特定的方法，例如導線類廢鋁可以采用加熱揉搓法；金屬類采用磁選、重力分選、渦流法等 技術來分離。近年來國外科研人員研發了一些新的分類技術，例如激光誘導能譜分析技術(LIBS)，能夠按照牌號進行更加細致地分類。

1.3 廢鋁熔煉

經過預處理后便得到較為整潔的鋁及鋁合金原料，然后需要進行熔煉以獲得鋁液。熔煉過程還要根據不同鋁型進行工藝調整，以降低熔煉過程中的能耗。一般針對熔化工藝和容練設備進行優化，熔煉工藝可以通過改變廢鋁料的尺寸大小、表面積與體積比、下料方式，合理選擇加熱方式、熔煉時間，適量投放覆蓋劑、催化劑等方式[2，3]；熔煉設備可以使用雙室反射爐，間接利用火焰熱能，依靠高溫液體融化廢鋁，防止與火焰直接接觸導致鋁液燒損，此外還需注意余熱點回收利用，提高燃料燃燒率，利用回收余熱對鋁料預熱，可以減少熔煉時間，提高熔煉效率。除此之外，對于一些前沿技術可以適當參考使用，例如二室或多室熔煉技術、電磁攪拌技術、高效燃燒技術等。

1.4 熔體凈化

熔煉后得到的鋁液往往含有一些金屬熔渣、氧化物、合金化合物、甚至重金屬元素等雜質，需要進行進一步的熔體凈化處理。在鋁工業生產中，常常采用精煉劑、噴吹法及復合精煉技術等凈化方法。精煉劑一般使用氟化物、氯化物等，優點是精煉效果好、純度高，缺點是在使用過程中容易產生有害氣體等副物質；噴吹法指向鋁液中噴如或吹入一定量的氣體，使氣體與雜質結合形成易分離物質，常用的氣體有氯氣、氮氣等；復合精煉技術即結合精煉劑和噴吹法，達到兩種除雜方法的優勢。此外，由于稀土具有良好的凈化特性，近年來，稀土也常用在對鋁液熔體精煉過程中。還有一些其他方法，包括非吸附凈化法、旋轉噴吹法等；目前較為前沿的在線鋁液精煉系統LARS法、半固態成形反向擠壓技術等新型熔體凈化技術也值得參考。

2 我國再生鋁產業現狀

我國鋁產業發展起步較晚，建國以來以發展鋼鐵產業為主，20世紀70年代我國才開始發展再生鋁，2020年我國再生鋁產量達到了715萬噸，位列世界第二，再生鋁已經成為中國鋁工業的重要組成部分。雖然我國再生鋁生產量很高，但鋁產品質量低，產品只能用在低端領域，對于性能要求高的高端領域極少使用國產再生鋁。造成再生鋁品質低下的主要原因在于熔煉工藝落后，特別是在預處理、熔體凈化方面技術落后，導致在熔煉中鋁液中含有大量金屬殘渣以及氧化雜質，從而降低了鑄鋁的質量。此外我國再生鋁熔煉設備不夠先進，對于一些特殊的含鋁合金，難以精確提煉出金屬雜質。國產再生鋁一般僅用在汽車、摩托車配件領域，很少用于軋制擠壓等高性能要求的鋁加工行業。

2.1 我國再生鋁行業特點

結合我國再生鋁產業發展現狀，可以得到如下特點。①再生鋁利用率低，我國在生理通常用于低端產品，而對于性能要求較高的高端產業使用很少，從而導致我國再生鋁在低端領域產能過剩，大量低端鋁產品得不到應用，因而利用率很低。②再生鋁降級使用，鋁材根據性能指標可分為多個等級，例如制作易拉罐的鋁材就屬于高檔鋁材。我國廢鋁罐回收率超過97%，是廢鋁資源的一大版塊，但在熔煉時廢鋁罐往往要伴隨其它低端廢鋁料一同熔煉，造成易拉罐等高檔廢鋁料的巨大浪費。③高雜質低性能，當前我國再生鋁產品雜質含量較高，熔煉技術不夠先進，缺乏分選和精煉劑相關研究，在鋁液熔體中通常含有較高比例的鐵、銅、鎂、硅等雜質元素，從而導致鋁材性能低。

2.2 再生鋁面臨的主要問題

造成再生鋁品質低下的主要原因在于熔煉工藝落后，特別是在預處理、熔體凈化方面技術落后，并且熔煉設備不夠先進。

（1）預處理技術。我國分選技術落后，在多數發達國家已經實現機械化和自動化分選，而我國仍然以人工分選為主，分選工人憑借自己的經驗進行分揀與拆解，對于企業來說短期成本低，大多數企業不愿花費高昂資金用來引進先進分選設備。但實際上人工方式不僅效率低，而且分選效果差，由于工人工作負荷大，難以實現精細地分揀，往往只進行簡單的初步判斷。因此在隨后的預處理環節中保留了部分雜質，導致在入爐熔煉時產生大量廢氣，對環境造成嚴重污染。此外，許多企業缺乏廢鋁保級意識，不對廢鋁進行分級，出現不同品質和類型的廢鋁同類對待，導致廢鋁降級，造成資源浪費，并且分選不合格會對后續工藝造成影響。

（2）熔體凈化技術。我國企業對雜質凈化技術研究不夠深入，缺乏實驗數據以及理論支撐。雜質凈化涉及到熔體與雜質的相互作用、稀土催化劑作用、熔體成分等各個方面，單純依靠工人經驗難以選擇合適的精煉劑。在精煉劑方面，我國缺乏系統研究，目前主要采用氯化物、氟化物、氧化性鹽[4]來精煉熔體，這些精煉劑含有的鹵族元素在使用過程中容易產生有害氣體。有些精煉劑只針對個別雜質，還需要對數種精煉劑混合調制才能實現凈化目的，而熔煉劑種類越多則副作用越大，對鋁液熔體再次產生污染。國內對精煉劑的調制研究較少。國外有SNIF法等先進工藝，凈化效果好，但因其成本過高，很少有國內企業使用。

（3）熔煉設備方面。國內企業普遍采用普通反射爐作為熔煉設備，這種直接加熱原料的方式，具有燒損大、回收率低的缺點，特別在熔煉碎鋁屑或薄鋁時，其回收率更低。普通反射爐使用天然氣、煤炭等傳統燃料作為能源，一方面由于設備技術不先進，熱效率較低，不超過50%，一半熱量隨爐體、煙氣損失，導致熱能的浪費嚴重；另一方面由于燃料燃燒產生的廢氣會對環境造成污染。數據表明，按照國內技術，每熔煉一噸廢鋁需要消耗80千克燃料，而使用國外技術所需燃料為國內的一半。國外較多采用雙室爐或多室爐，與普通反射爐相比，多室爐具備更高的熱效率，并且鋁的回收率也很高，但由于成本限制，國內應用較少。

3 結語

再生鋁回收制鋁有低成本、環保、節約資源和能源的優勢，具有巨大的經濟價值，也是未來制鋁行業的發展方向。但由于我國再生鋁產業起步較晚，在熔煉工藝方面相對落后，導致高品質再生鋁發展困難。我國企業研究人員還需加大對再生鋁熔煉技術的研發投入，促進我國再生鋁產業快速發展。