鋁灰中鋁金屬高效回收工藝探討

文/寧增超 王 濤 趙玉兵 鄭紅亮 侯立濤 田海偉

在國家大力倡導發展循環經濟和國家“雙碳戰略”的背景下，傳統鋁行業從業人員及相關科研技術單位也在積極探索新的鋁資源發展方向[1]。循環經濟中對資源利用，體現在兩個方面：一方面重視減少資源的實際損耗；另一方面重視資源的回收利用。國家“雙碳戰略”更是將環境保護與能源有效利用提升到國家戰略高度。鋁金屬資源既有“可再生”屬性，也具有“降能”“節能”等循環資源和環保屬性，因而備受矚目。其中，鋁灰是鋁冶煉、熔煉、鑄造過程中，由于鋁金屬的燒損浮在鋁熔體表面的浮渣。鋁灰的組成主要有鋁金屬、氧化物、氯鹽、氟鹽、氮化鋁等。據國家統計局數據表明，2021年中國鋁產量3850 萬噸，而1t 鋁可產生鋁灰30～60kg[2]，可提取的鋁金屬占10～15%，如果僅把鋁灰作為廢棄物處理，將造成極大的浪費。鋁灰作為鋁工業生產中的全流程出現的副產品，對灰中金屬的回收一直是大家關注的熱點。從鋁灰中提取鋁金屬，可以起到降低鋁金屬的損耗、降低鋁金屬原料的消耗，以及降低鋁金屬生產的能源消耗的作用，所以如何從鋁灰中高效提取鋁金屬，在鋁資源的循環利用體系中尤為重要。因此，本文對鋁灰的回收現狀進行分析與探討，以期得到最佳的鋁金屬回收方式。

一、鋁灰的來源與分類

1.鋁灰的來源與構成

鋁灰產生于電解鋁、變形鋁加工、再生鋁加工等所有存在鋁融熔的工序。其來源可分為三種：1）鋁冶煉鋁灰；2）變形鋁合金熔鑄鋁灰；3）再生鋁鋁灰。鋁灰一般指鋁冶煉、變形鋁合金及再生鋁加工生產過程中漂浮于鋁熔體表面的不熔夾雜物、氧化物、添加劑以及與添加劑進行化學反應的反應物。鋁灰作為鋁工業重要的固體廢棄物，其組成成分非常復雜，主要含有Al、Cl、Na、N 等元素[4]，其中Al元素，以Al 金屬、Al2O3、AlN 等形式存在。

鋁冶煉鋁灰是指氧化鋁經熔鹽電解生產鋁的過程中，由于操作和測定器具的攜帶、陽極更換、出鋁、鑄錠以及電解槽大修，產生的鋁灰。一般每生產1 噸鋁會產生不少于30～50kg的鋁灰。鋁灰的物相組成為Al2O3、MgAl2O4、AlN、NaAl11O17和K1.6Al11O17。

在變形鋁合金生產中，為避免鋁的氧化物對熔體的污染，會將浮在熔體表面的氧化渣、覆蓋劑和與它們混合的一部分殘余鋁金屬等扒出爐外，形成熔煉鋁灰。這種鋁灰中主要成分是覆蓋劑KCl、NaCl 等鹽類、Al2O3、MgO、Al等。因為覆蓋劑鹽類對環保有一定危害，一些鋁加工企業開始不使用覆蓋劑，所以其鋁灰成分主要以殘余鋁及氧化物為主。

在再生鋁生產中，與變形鋁生產工藝相類似，也需要扒出一部分鋁灰。只是因為再生鋁熔煉過程中需要多次加入廢雜鋁，并采用低溫浸沒式熔化，即所謂的“泡料”工藝，所以在其熔煉過程中一般不使用覆蓋劑。熔煉過程中扒出的鋁灰以浮渣中的各種氧化物、鋁金屬，以及未熔的鐵等金屬為主。

2.鋁灰的分類與分級

在生產中，對鋁灰往往會按照是否經過回收處理而籠統的分成兩類：“一次灰”和“二次灰”。這種方法分類的鋁灰，由于生產廠家和來源不同，其中的含鋁量也不相同。有些直接冷卻的“一次灰”，也歸類到“二次灰”，既不經濟也不科學。

在實際生產中另一種分類方法則是按照鋁灰的顆粒度，分成大灰、中灰和細灰三類。這種分類方式一般是針對破碎、篩分后的鋁灰進行的分級。大灰是剛從爐內扒出的鋁灰，直接進行冷卻降溫成固態，所以含有很多大的灰鋁凝塊，含鋁量較高。中灰是顆粒尺寸≥0.6mm 以上的鋁灰，含有很多小的鋁顆粒，含鋁量12%～35%。細灰則是小于100ppm 的粉狀的鋁灰，灰中含鋁量只有5%-18%。

為了更好的選擇鋁灰的處理方法，可以按照鋁灰的含鋁量來進行分級。這種分級方式等好處是可以根據鋁含量的多少選擇不同難度的鋁灰提取方式，可以避免鋁金屬的損失。例如：含鋁量40%～85%的作為一級灰料，含鋁量在12%～40%的作為二級灰料，5%～12%的作為三級灰料，5%以下的作為四級灰料。一級灰料可以利用剛出爐時的溫度進行熱炒灰回收液態鋁，也可以快速冷灰后，進行物理篩分回收固態鋁。二級灰需要采用熱炒灰，回收液態鋁。三級灰不能單獨使用，需作為熱炒灰過程中冷卻料使用，待鋁金屬熔融后回收。5%以下的四級灰，需要采用可以分離灰分的鹽浴加熱，以及更準確的加熱溫度控制才能實現灰中鋁金屬，已失去常規手段工業化提取價值。

二、灰中金屬的回收工藝與設備分析

1.灰中金屬的回收工藝

隨著鋁回收技術的發展和設備的研制開發，鋁冶煉、鋁加工企業中，鋁灰中鋁金屬的回收過程中傳統的人工熔煉生產模式，正逐步被專用回收設備所替代。鋁灰的回收處理的基本處理過程如下：

扒渣→熱灰處理→冷卻→冷卻灰篩選→二次熱灰處理→冷卻→冷卻灰篩分→廢灰處理

2.鋁灰回收工藝中的主要影響因素

鋁灰回收率主要受到鋁灰溫度、鋁灰的含鋁量、鋁灰中夾雜物等多種因素的影響，所以鋁灰的回收應當根據灰的類型有區別的進行。

（1）鋁灰的溫度

鋁的溫度對灰中鋁金屬的燒損尤為重要，高溫會使鋁金屬的氧化加劇，鋁灰溫度溫度越高鋁金屬燒損越大，可回收的金屬損失越大。

鋁灰的溫度也不能過低，過低的溫度液態鋁金屬粘度大，不利于鋁液的析出與沉降。

此外，鋁灰中如果含有覆蓋劑鹽類，熔融的鹽類對金屬有一定附著力，灰鋁分離必須達到一定溫度條件，且不同類型的熔融鹽類還有不同的灰鋁分離溫度，在熱會處理之前必須選擇好合適的熱灰溫度，利于灰鋁分離。

（2）鋁灰的含鋁量

鋁灰中的含鋁量影響體現在回收難度上，含鋁量越大的鋁灰，回收難度越小。含鋁量越小的鋁灰，回收難度越大，需要采用的工藝越復雜。

（3）鋁灰的夾雜物

鋁灰中夾雜物主要會對回收的金屬成分的產生影響，例如：鐵雜質可能造成回收的鋁中鐵成分超標，導致材料化學成分不合格。

3.鋁灰的處理設備

鋁灰處理的主要對象分別是高溫鋁灰和冷卻灰。高溫鋁灰回收的是液態鋁，冷卻灰中回收的是固態鋁。對熱鋁灰的處理方法，可采用壓榨法、炒灰法（或稱裘灰法、糗灰法、搓灰法）、離心分離法。冷卻灰處理一般要先進行破碎、球磨、吸鐵，然后采用密度篩分法，篩分出固態鋁金屬。

（1）壓榨機

壓榨機是采用壓榨法對渣盆里的鋁灰進行擠壓，鋁灰渣中含有的液態鋁被擠壓出來。鋁液擠出以后，與外界的渣盆壁或冷空氣接觸后，就會凝固成殼，形成鋁包渣的“元寶”形。待冷卻后將鋁殼破開，將里面的鋁灰清除后復熔。這種設備的優點是設備占地小；缺點是回收處理效率較低，只有在回收工序與生產工序分離的情況下采用。

（2）漿式炒灰機

漿式炒灰機是采用炒灰法處理鋁灰的設備。炒灰處理時，將熱的鋁灰放入炒灰機灰鍋中，炒灰機的攪拌槳對熱灰進行攪拌，攪拌促使液態鋁與灰分離，鋁液在重力作用下沉降到灰鍋底部，并從放鋁口放出。在攪拌過程中也可根據鋁灰的溫度，適當加入升溫劑（或降溫料），調整鋁灰的溫度促進鋁液析出、沉降。此種設備的優點是鋁的回收率較高，鋁灰溫度可控；缺點是生產作業環境較差，需要配備相應的除塵設備。

（3）離心式炒灰機

離心式炒灰機是離心分離法進行熱灰處理的一種設備。處理鋁灰時，將熱鋁灰放入離心式炒灰機的滾筒中，通過滾筒的旋轉對鋁灰進行攪拌，并利用旋轉產生的離心力將鋁灰中的鋁液甩出來。當鋁液積聚到一定液位，將鋁液傾倒出來。離心分離法的優點是一次處理量大，裝卸料方便；缺點是灰鋁分離不徹底，回收效率低。

（4）等離子體熔融處理設備

等離子體處理爐是采用熔融法處理鋁灰的一種設備。它是一種利用等離子體作為熱源，在二氧化碳、甲烷、氫氣等形成還原性火焰，在乏氧條件下對鋁灰渣加熱，使鋁金屬表面的氧化膜破裂，熔融的鋁液可以匯聚到一起，與其灰分分離并沉降到底部，從放鋁口流出。此種方法設備投資較高，目前只在國外少數工廠有應用。

（5）鋁灰篩選機

鋁灰篩選機主要是對冷卻的鋁灰塊進行破碎，并對鋁灰進行振動篩分、磁選篩分篩分處理的設備。這種方法可將鋁灰渣中的固態鋁和雜質金屬分選出來，再進行熔化回收。這種方法的優點是直接回收固體金屬，并能將鐵金屬夾雜物分離出來；缺點是在鋁灰冷卻過程中，鋁金屬已經有一部分燒損，降低了灰中鋁的回收率，且還需要破碎等預處理過程，生產環境噪音較大。

4.炒灰劑

炒灰劑的主要成分是升溫劑和熔劑，升溫劑是為了提高鋁灰的溫度，熔劑則是為了破壞鋁表面的氧化膜，降低鋁表面的張力，提高鋁的浸潤性，使鋁液滴可以更好地相互匯聚融合。在炒灰劑使用中應注意保證鋁灰的溫度在適當的區間，以促進升溫劑能夠快速起效，并使熔劑處于熔融狀態，方能達到快速出鋁，且又能保證升溫劑不燒損金屬。在鋁含量5～8%的鋁灰炒灰回收時，需要適當提高炒灰劑中熔劑的占比，提高鋁液微小液滴的浸潤性，促進鋁液滴融合。炒灰劑的優點是在熱灰處理時有效提高鋁金屬的回收率；缺點是炒灰劑會產生一定量的有害氣體，造成環境污染。

三、總結與展望

在國家大力倡導循環經濟和可持續發展戰略的趨勢下，鋁灰中鋁金屬的高效回收是鋁工業可持續發展的關鍵環節。本文對鋁灰的類型、成分構成，以及特點做了分析，通過分析我們可以看到，鋁灰回收處理過程具有復雜性和多樣性。針對不同類型的鋁灰可以采用以下措施可以提高鋁灰中金屬的回收效率：

1.通過選擇適當鋁灰的溫度、對鋁灰的攪拌時間，以及選擇添加炒灰劑的時機和用量等工藝參數，可以提高鋁灰中鋁金屬的回收效率。

2.針對不同的鋁灰類型，合理選擇鋁灰回收處理設備，可以高效地實現鋁灰中金屬的回收處理；不同的回收處理工藝，改進回收工藝參數，選用專用的回收設備，加入適當的炒灰劑，均可以提高鋁灰中金屬的回收的效率。

我們也應該看到，目前我國鋁灰中鋁金屬處理處于相對初級的發展階段，鋁灰回收處理技術及工序仍然比較粗放，設備相對簡陋，生產環境比較惡劣，無論是回收工藝、生產設備都需要提高和完善，我們對鋁灰回收技術的研究還有待進一步深入和拓展。

此外，鋁灰回收只集中在對灰中金屬的回收，鋁灰中AlN、Al2O3等可利用成分仍然與鋁灰回收后的產物一起處理，并沒有實現資源的有效利用和循環發展。鋁灰有毒有害的固體廢物，仍然對環境造成較大破壞，所以鋁生產企業應當重視鋁灰回收和利用技術的研究，從而推動我國鋁行業向“綠色”“低碳”“環保”的可持續道路上發展。