再生鋁合金管式過濾工藝及質量控制分析

王國佐，于昊川

（中億豐羅普斯金鋁業股份有限公司，蘇州215143）

0 前言

鋁已成為全球消費量最高的有色金屬，經過數十年的生產、消費及使用，現在每年報廢的鋁合金占全球鋁消費市場的35%左右。目前我國已經進入廢鋁回收黃金期，預計2035年再生鋁產量將超過原鋁。當前，如何提升再生鋁保級、高品質化利用，實現資源可持續發展，將成為再生鋁工業發展的新方向[1-2]。與原鋁原料相比，廢鋁的再生過程中會引入大量夾雜，雜質元素不易控制，導致再生鋁生產控制難度大，品質不穩定[3]。因此再生鋁合金生產中最關鍵的就是如何有效地對鋁熔體進行凈化處理，以便除去熔體中的氧化夾雜和金屬雜質等。目前熔體凈化技術主要是通過過濾法、溶劑法和氣泡浮游法等方法使熔體中的雜質元素、夾雜物和氣體與吸附介質發生機械或物理化學作用，以達到凈化目的，從而提升再生鋁合金品質、改善鋁合金的綜合性能[4-[5]。但是，我國目前再生鋁產業還難以適應產業升級和綠色高質量發展的需求，故亟需在再生鋁處理技術、熔煉工藝等方面進行突破。

為了實現廢鋁的高效再生與利用，獲得高性能的再生鋁產品，開發適合再生鋁使用的熔體凈化技術，本文簡述了再生鋁的生產工藝過程，并研究不同過濾方式對再生鋁性能的影響，為再生鋁的生產和質量控制提供技術參考。

1 再生鋁的生產工藝及質量控制關鍵因素

再生鋁成品是廢舊鋁及鋁合金或含鋁的廢鋁，經過廢鋁預處理，再經熔煉、精煉、過濾、鑄造等工藝過程而得到的高品質再生鋁鑄錠，其主要生產工藝過程如圖1所示。

圖1 再生鋁生產工藝流程圖

1.1 廢鋁預處理關鍵步驟

廢鋁預處理需要對其成分、形態、表面附著物和雜質等進行評定和控制。若廢料的成分及形態合格，則可直接使用；若廢料表面存在附著物、含氧化層或涂層、含油含Fe廢物等，則需要進行電磁鐵篩選或特殊處理，關鍵步驟如下：

（1）通過過濾網系統，去除普通雜質。對來料鋁屑中的雜物和大塊廢料（包括拋絲、板材、型材等）進行篩選區分，保證添加鋁屑為粗屑。

（2）通過回轉窯加熱，去除水分，破碎鋁屑團。采用上海敘信LX-1500鋁屑處理設備對鋁屑進行加溫，除去鋁屑中的水分和油漬。

（3）通過電磁鐵系統，去除含Fe廢物。將篩選出的粗屑傳送到爐后旋渦井中，同時通過傳送帶中的磁鐵對鋁屑中的鐵制品進行挑選，防止添加到爐內的鋁屑Fe含量超標。

1.2 管式過濾工藝質量控制的關鍵因素

管式過濾工藝在再生鋁生產中起著非常重要的作用，需要控制以下4個關鍵因素。

（1）烘烤過濾管：過濾管組需要進行預熱，線下加熱至750℃保溫48 h后再移至線上進行過濾。如果采用冷管直接過濾，溫度高達700℃的鋁液流入管組中會造成鋁液粘結，過濾失效。

（2）控制液位差：液位差是評估管式過濾能否正常使用的重要指標。若管式過濾箱入口與出口液位差大于130 mm，管組所吸附的氧化物夾渣物就會過多，同時會造成鑄造端鋁水過少，存在漏鋁的風險。

（3）管組使用壽命：管組使用壽命有限，不能無休止地連續過濾。

（4）密封性：通過膠水把第一層墊片粘到管組鋁液出口孔四周，用同樣方法粘結第二層墊片。將管組放入過濾箱，避免墊片損壞。該密封極其重要，一旦漏鋁，將導致鋁水不經過濾直接進入鑄造端。

2 過濾方式對成品性能的影響

2.1 試驗方法

2.1.1 再生鋁廢料預處理根據上述再生鋁廢料預處理要求，將再生鋁進行鋁屑篩選、除水除油和電磁篩選。

2.1.2 過濾方式優選

試驗采用三井管式過濾管組，該過濾組可以對夾雜物進行表面過濾、內部吸附雙重捕捉。在過濾管外部表面過濾較大雜質顆粒，在過濾管內吸附更細小的雜質，這種對雜質雙重捕獲的機制實現了高精度的過濾效果。管式過濾組的規格及用途如表1所示。試驗首先采用6種型號的過濾管進行過濾試驗，從而優選出合適的過濾管型號，以符合高端電子型材的黑線低比例要求；然后再采用單板過濾和管式過濾組合的過濾方式對10種不同類型的廢料進行試驗，以測試和研究過濾方式對再生鋁產品的性能影響。試驗選用的10種不同類型的廢料類型和參數如表2所示。

表1 管式過濾組規格及用途

表2 6×××系合金試驗廢料性質及等級

2.2 測試方法

試驗采用夾雜物含量及氧化后黑線比例兩種指標評定再生鋁產品性能。

（1）夾雜物含量測試。參照國標《GB/T 3246.2-2012變形鋁及鋁合金低倍組織檢驗方法》進行低倍及高倍金相組織檢測，測試方法如下：將所需圓鑄錠試片的頭、尾均切除規定尺寸后，沿兩端的橫向取樣，規格為25 mm±5 mm；所有需進行低倍檢測的試片必須進行銑削加工，粗糙度大于等于3.2 μm；按照標準要求，在恒溫堿蝕槽內將試片浸泡于濃度為80～120 g/L的氫氧化鈉溶液中，浸泡時間3～8 min；試樣堿洗后立即進行清水沖洗，隨即放入20～30%（V/V）的HNO3溶液中進行光洗，去除黑色堿蝕產物，再用流動的清水沖凈后進行試驗。

（2）氧化后黑線比例測試。通過目視、掃描電鏡等對再生鋁產品材料加工氧化后的黑線進行統計及分析。

2.3 試驗結果及分析

2.3.1 管式過濾型號篩選試驗

對不同型號管式過濾組的過濾效果進行了統計，結果如表3所示。由結果可知，當選擇RD等級過濾時，大于5 μm的夾雜物比例控制在2%以內，氧化后黑線比例≤2%，符合高端電子型材對黑線比例的要求。

表3 管式過濾型號篩選試驗結果

圖2 為通過RA等級過濾后6×××系合金鑄錠內部典型的掃描電鏡微觀形貌。在顯微鏡下黑線主要呈現為不規則的孔洞或凹坑形貌，主要表現為順沿擠壓方向的連續、非連續或單個分布的細微孔。由圖2（c）中的能譜結果分析可知，黑色粗大相的主要組成元素為C、O、Al、Mg以及少量Si、P、S、Ni。在鋁熔煉鑄造過程中，鋁熔體和空氣中的氧在高溫氛圍下反應生成金屬氧化物，進而聚集沉降于鋁熔體內部，最后形成氧化夾雜物，并以膜狀、線狀、團聚顆粒狀和聚集斑塊狀等多樣形式存在。當合金化程度較低時，氧化物夾雜以Al2O3為主，熔體中含有Mg元素，在長時間高溫Al2O3環境下會轉變成硬質化合物尖晶石（MgAl2O4）[6]。

圖2 6×××系合金通過RA級過濾氧化后黑線的典型掃描結果

2.3.2 單板過濾+管式過濾（RD等級）組合過濾

采用單板過濾和管式過濾組合的過濾方式對10種不同類型的廢料進行試驗，作為參照組，對鋁屑（含油，廢料編號7）進行了單一過濾方式試驗。試驗結果如表4所示。由表可知，采用單板過濾+（RD等級）管式過濾的組合方式，雜質過濾效果明顯，低倍觀察下，均未發現大于5 μm夾雜。圖3示出了含油鋁屑在組合過濾前后的對比情況。圖4為單板過濾+（RD等級）管式組合過濾后的鑄錠組織。在鑄錠的低倍觀察中沒有發現大尺寸夾雜物，在掃描電鏡觀察下發現夾雜顆粒物，且尺寸≤5 μm，可見過濾效果優異。

圖3 過濾前后管組變化

圖4 7#廢料熔煉后通過組合式過濾后的鑄錠

表4 單板過濾+管式過濾（RD等級）組合過濾試驗結果

3 結論

（1）采用RD等級對再生鋁鋁液進行過濾，結果發現夾雜物比例在2%以內，氧化后黑線比例≤2%，符合高端電子型材對黑線比例的要求。

（2）采用單板過濾+（RD等級）管式過濾的組合方式，雜質過濾能力顯著，可阻擋≥5 μm雜質顆粒物，過濾效果優異。