廢鋁的預(yù)處理與熔煉再生技術(shù)研究

陳學(xué)文，鄺治全，王順成，董曉瓊，楊鎮(zhèn)江

（1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510660；2.佛山市辰輝金屬科技有限公司，廣東 佛山 528201；3.廣東鴻邦金屬鋁業(yè)有限公司，廣州 511340）

再生鋁是以廢鋁為主要原料，經(jīng)熔煉后生產(chǎn)的鋁及鋁合金。再生鋁的能耗僅為電解鋁的5%，碳排放量?jī)H為電解鋁的2.1%，生產(chǎn)1 t 再生鋁，可節(jié)約3.4 t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)水22 m3，減少固體廢物排放20 t[1]。發(fā)展再生鋁產(chǎn)業(yè)是解決我國(guó)鋁土礦資源短缺問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋁工業(yè)碳減排和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[2]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，再生鋁已成為我國(guó)鋁工業(yè)的重要組成部分，我國(guó)已經(jīng)形成較為完善的廢鋁回收-預(yù)處理-熔煉-加工利用產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，再生鋁產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)[3]。2022年，我國(guó)再生鋁產(chǎn)量達(dá)到782 萬(wàn)t。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)再生鋁產(chǎn)量將達(dá)到1 150 萬(wàn)t。

我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)取得巨大的成就，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然存在較大差距[4]。首先，我國(guó)再生鋁品種少，質(zhì)量不夠穩(wěn)定。目前，我國(guó)以廢鋁為原料生產(chǎn)的再生鋁合金主要是鑄造鋁合金，存在合金成分和物理性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，導(dǎo)致再生鋁應(yīng)用范圍窄。其次，我國(guó)再生鋁行業(yè)的整體技術(shù)與裝備水平不高，廢鋁預(yù)處理技術(shù)及裝備落后，機(jī)械化和自動(dòng)化程度低，多數(shù)再生鋁企業(yè)對(duì)廢鋁不進(jìn)行預(yù)處理，或者只做簡(jiǎn)單的挑選后便回爐熔煉，再加上熔煉和凈化技術(shù)裝備的投入不夠，導(dǎo)致廢鋁燒損嚴(yán)重，不僅降低鋁的回收率，也導(dǎo)致再生鋁合金成分不達(dá)標(biāo)，質(zhì)量低且不穩(wěn)定，未完全發(fā)揮再生鋁的優(yōu)勢(shì)，制約再生鋁產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 廢鋁的來(lái)源與分類(lèi)

我國(guó)再生鋁企業(yè)的廢鋁主要有兩個(gè)來(lái)源，一是國(guó)外進(jìn)口的廢鋁，二是國(guó)內(nèi)回收的廢鋁。目前，國(guó)內(nèi)積蓄的鋁制品及零部件還不夠多，廢鋁回收的高潮尚未到來(lái)，因而國(guó)內(nèi)回收的廢鋁還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足再生鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。進(jìn)口廢鋁是目前我國(guó)再生鋁企業(yè)廢鋁的主要來(lái)源，進(jìn)口廢鋁相當(dāng)于進(jìn)口鋁資源，有利于減少?lài)?guó)內(nèi)鋁土礦的開(kāi)采、能源消耗和保護(hù)環(huán)境。

廢鋁按其使用狀態(tài)可分為純鋁廢料、變形鋁合金廢料和鑄造鋁合金廢料。純鋁廢料通常是指鋁含量超過(guò)99%的廢鋁，如各種廢舊電線(xiàn)、易拉罐、鋁箔等。變形鋁合金廢料是指采用擠壓、軋制、鍛造、沖壓等塑性變形工藝成型的鋁合金廢料，如廢舊建筑門(mén)窗、鋁模板、電子外殼、汽車(chē)電池箱體、防撞梁等。純鋁及變形鋁合金廢料的鋁含量較高，回收企業(yè)通常將該類(lèi)廢鋁稱(chēng)為廢熟鋁。鑄造鋁合金廢料是指采用重力鑄造、高壓壓鑄、低壓鑄造、擠壓鑄造等鑄造工藝成型的鋁鑄件廢料，如汽車(chē)鋁輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、活塞、變速箱殼體等。鑄造鋁合金廢料主要是鋁硅合金廢料，也包括鋁鋅合金廢料、鋁銅合金廢料等，合金里面的鋁含量相對(duì)低些，回收企業(yè)通常將該類(lèi)廢鋁稱(chēng)為廢生鋁。

廢鋁按產(chǎn)生來(lái)源可分為生活廢鋁和工業(yè)廢鋁。生活廢鋁包括各種報(bào)廢后回收的鋁制家具、餐具以及電子電器、汽車(chē)、機(jī)電設(shè)備的鋁合金零部件等。工業(yè)廢鋁包括鋁制品生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種工藝廢料，如鑄件冒口、廢鑄件，鋁材加工過(guò)程中產(chǎn)生的邊角料、殘次品、頭尾料、鋁屑等，這類(lèi)廢鋁料除了粘有油污的鋁屑外，都是品質(zhì)較好的廢鋁，利用價(jià)值極高，如能做好分類(lèi)保管，可以直接回爐熔煉。鋁灰是鋁及鋁合金熔煉過(guò)程中產(chǎn)生的浮渣，含鋁量較低，但鋁灰的產(chǎn)生量很大，因而回收價(jià)值依然很大。

進(jìn)口廢鋁包括單一品種廢鋁、廢鋁切片和混雜廢鋁。單一品種廢鋁是指進(jìn)口時(shí)品種分類(lèi)清晰的廢舊鋁合金零部件，如廢舊汽車(chē)輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、門(mén)窗鋁型材等，這些都是優(yōu)質(zhì)的廢鋁。發(fā)達(dá)國(guó)家在處理各種廢舊汽車(chē)、家電和機(jī)電設(shè)備時(shí)，都是采用機(jī)械破碎方式將其破碎成碎片，然后進(jìn)行機(jī)械化分選，分選出來(lái)的廢鋁就是廢鋁切片。廢鋁切片便于運(yùn)輸，大部分廢鋁切片較為干凈，非鋁夾雜物少，鋁回收率高，其屬于優(yōu)質(zhì)廢鋁。混雜廢鋁通常含有大量非鋁夾雜物，成分復(fù)雜，形狀各異，其屬于較為低檔的廢鋁。

目前，國(guó)內(nèi)再生鋁企業(yè)的廢鋁來(lái)源廣泛且復(fù)雜，大部分都不同程度地被污染，夾裹各種非鋁物，如鋼鐵、橡膠、塑料、木材、石頭和泥土等，還覆蓋有油漆、涂料、紙張和油污等。因此，回爐熔煉前，要對(duì)廢鋁進(jìn)行預(yù)處理，分選歸類(lèi)越精細(xì)，預(yù)處理越好，廢鋁利用價(jià)值越高。

2 廢鋁的預(yù)處理技術(shù)

廢鋁預(yù)處理的目的是分離廢鋁中的非鋁夾雜物，清除表面覆蓋的油漆、涂料和水分等，獲得較為干凈、符合回爐條件的爐料。廢鋁預(yù)處理可以降低廢鋁燒損，提高回收率，減少成分調(diào)配難度和氣渣含量，獲得成分符合要求、潔凈度高的高品質(zhì)再生鋁合金。目前，國(guó)內(nèi)再生鋁企業(yè)的預(yù)處理技術(shù)整體比較簡(jiǎn)單落后，主要依靠人工挑選，不僅效率低，而且難以獲得高質(zhì)量的廢鋁。國(guó)外廢鋁的預(yù)處理已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，能夠高效去除廢鋁中的金屬和非金屬夾雜物，使廢鋁得到最經(jīng)濟(jì)最合理的利用。常見(jiàn)的廢鋁預(yù)處理技術(shù)包括破碎、磁選、浮選和焙燒等。

2.1 破碎

大塊廢鋁首先要進(jìn)行破碎處理，得到尺寸符合要求的廢鋁碎片，以便后續(xù)運(yùn)輸和裝爐。破碎使廢鋁中的非鋁夾雜物脫落分離。長(zhǎng)條狀廢鋁可以采用鱷口剪切機(jī)或鍘刀式剪切機(jī)切成塊，大截面廢鋁可以采用大噸位的液壓剪切機(jī)切割，廢舊汽車(chē)缸體、變速箱等鑄鋁件可以采用顎式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)和旋回式破碎機(jī)等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行破碎[5]。廢舊電線(xiàn)電纜往往包覆橡膠、塑料等絕緣材料，可采用專(zhuān)用的電線(xiàn)電纜扒皮機(jī)、切割機(jī)械進(jìn)行解體和切斷處理[6]。

2.2 磁選

鐵是鋁合金的有害雜質(zhì)元素，在鋁合金中可形成粗大的針片狀A(yù)l3Fe 等富鐵相，成為鋁合金斷裂的裂紋源和裂紋擴(kuò)展方向，損害鋁合金的強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性能和抗疲勞性能等。廢鋁往往夾帶鐵釘、鐵塊、鐵線(xiàn)等鐵質(zhì)廢料，在回爐前應(yīng)盡可能分離去掉。磁選除鐵是利用鐵質(zhì)廢料有磁性的特性，利用磁選設(shè)備分離除掉廢鋁中夾雜的鐵質(zhì)廢料。比較常見(jiàn)且容易實(shí)現(xiàn)的磁選除鐵工藝是傳送帶十字交叉法，傳送帶上廢鋁碎塊沿橫向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入磁場(chǎng)后鐵質(zhì)廢料被吸起進(jìn)入縱向傳送帶，離開(kāi)磁場(chǎng)后鐵質(zhì)廢料自動(dòng)落入收集箱，實(shí)現(xiàn)廢鋁的磁選除鐵[7]。

2.3 浮選

廢鋁往往攜帶橡膠、塑料、木頭和泥土等輕質(zhì)非鋁廢料，若這些廢料帶入熔煉爐，燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量有毒和刺激性的煙氣，污染環(huán)境，而且會(huì)增加鋁熔體的氣雜含量，增大除氣除雜難度，降低再生鋁品質(zhì)。對(duì)于輕質(zhì)非鋁廢料，可以采用浮選法，以水為介質(zhì)，通過(guò)螺旋推進(jìn)器將廢鋁送入水中，橡膠、塑料、木頭等在水中浮起后被帶走，泥土則溶解于水中進(jìn)入沉降池，污水經(jīng)沉降后可循環(huán)使用[7]。

2.4 選礦法

廢鋁往往攜帶銅、鋅、鉛、錫等有色金屬?gòu)U料，這些廢料進(jìn)入熔煉爐，會(huì)導(dǎo)致再生鋁成分不達(dá)標(biāo)。除掉這些重金屬?gòu)U料的一種方法是拋物選礦法[8]，該方法利用各種體積基本相同的物體在受到相同力拋出時(shí)落點(diǎn)不同的原理，將廢鋁中的有色金屬?gòu)U料分離出來(lái)。根據(jù)這種原理制造的設(shè)備已在國(guó)外得到應(yīng)用，但造價(jià)昂貴，國(guó)內(nèi)還處于研究階段。另一種方法是重介質(zhì)選礦法[8]，該方法利用鋁密度比重金屬密度小的原理，使廢鋁浮在重介質(zhì)上面，而重金屬?gòu)U料沉降在底部，達(dá)到分離的目的。該方法需要找到一種密度大于鋁又小于重金屬的重介質(zhì)流體，工作時(shí)重介質(zhì)流體往復(fù)流動(dòng)，將銅、鋅、鉛、錫等重金屬?gòu)U料從廢鋁中分離出來(lái)。

2.5 焙燒法

多數(shù)廢鋁的表面都覆蓋有油漆、涂料、保護(hù)膜、涂層和油污等，如廢舊建筑門(mén)窗鋁型材表面的油漆，廢舊易拉罐、電子電器等表面的保護(hù)涂層等，這些覆蓋物的表面積大，如果不處理掉而直接回爐熔煉，會(huì)增加鋁的氧化燒損和鋁熔體的氣渣含量，增大熔體凈化難度，還會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，污染環(huán)境。廢鋁表面的覆蓋物去除一般采用回轉(zhuǎn)窯焙燒法，將廢鋁裝入以一定速度旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，利用熔鋁爐的熱風(fēng)和覆蓋物碳化過(guò)程產(chǎn)生的熱量，使廢鋁表面的油漆、涂料、保護(hù)膜等逐漸碳化，回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)使得廢鋁相互碰撞，使碳化物從廢鋁表面振動(dòng)脫落[7]。

3 廢鋁熔煉再生技術(shù)

廢鋁熔煉再生的常規(guī)工藝流程為：配料→裝爐→熔化→扒鐵→攪拌→取樣→成分檢測(cè)→成分調(diào)整→爐內(nèi)噴吹精煉→扒渣→靜置→爐外在線(xiàn)細(xì)化變質(zhì)→在線(xiàn)除氣過(guò)濾→鑄造。為了獲得高品質(zhì)的再生鋁合金，必須做好廢鋁的配料、熔化、成分檢測(cè)與調(diào)整、精煉和凈化處理等關(guān)鍵工序。

3.1 配料

配料是否合理直接關(guān)系到能否生產(chǎn)出成分和質(zhì)量合格的再生鋁合金，一般應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：以生產(chǎn)出成分和質(zhì)量合格的產(chǎn)品為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合工廠(chǎng)庫(kù)存的廢鋁和其他原料，優(yōu)化爐料配比。對(duì)于合金成分范圍要求窄、雜質(zhì)元素含量要求低的產(chǎn)品，應(yīng)該以純鋁錠為主，合理配料。對(duì)于合金成分范圍要求寬、雜質(zhì)元素含量控制不嚴(yán)格的產(chǎn)品，可以廢鋁料為主進(jìn)行配料，當(dāng)成分出現(xiàn)偏差時(shí)，可以添加純鋁錠對(duì)成分進(jìn)行沖淡或添加中間合金對(duì)合金成分進(jìn)行補(bǔ)充。

3.2 熔化與扒鐵

目前，國(guó)內(nèi)再生鋁企業(yè)主要采用蓄熱式燃?xì)夥瓷錉t熔煉廢鋁，余熱得到充分利用，熱效率高，降低了能耗，缺點(diǎn)是火焰與廢鋁直接接觸，廢鋁氧化燒損較為嚴(yán)重[9]。雙室爐將爐膛分為加熱室和熔化室，廢鋁的加熱和熔化都避開(kāi)燃燒的火焰，可以減少?gòu)U鋁燒損，提高回收率[10]。為了獲得高品質(zhì)的再生鋁合金液，避免鋁合金液發(fā)生二次污染，熔化廢鋁時(shí)應(yīng)當(dāng)注意3 點(diǎn)。一是合理選擇加熱熔化溫度，避免廢鋁過(guò)度氧化燒損，提高鋁回收率。二是廢鋁熔化后，由于鐵、銅等金屬?gòu)U料的熔點(diǎn)高，此時(shí)尚未熔化，應(yīng)及時(shí)將鐵、銅廢料從鋁合金液中扒出（俗稱(chēng)扒鐵），扒得越及時(shí)，扒得也越干凈。三是與鋁合金液接觸的攪拌、扒鐵等操作工具應(yīng)當(dāng)烘干并涂涂料，避免帶入水和滲鐵，造成對(duì)鋁合金液的二次污染。

3.3 凈化處理

氣孔和夾渣是鋁合金的常見(jiàn)缺陷，這些缺陷會(huì)割裂鋁基體，成為鋁合金斷裂的裂紋源和腐蝕起點(diǎn)，進(jìn)而降低鋁合金的強(qiáng)度、塑性、耐腐蝕性能和抗疲勞性能等。再生鋁合金液的氣渣含量通常比較高，必須做好鋁合金液的凈化處理，確保再生鋁合金的氣渣含量達(dá)到客戶(hù)的要求。常用的凈化方法是爐內(nèi)噴吹精煉，即采用惰性氣體氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d體，將粉末精煉劑噴吹至鋁合金液中，使精煉劑與鋁合金液充分接觸反應(yīng)，捕獲帶走鋁合金液中的氫氣和夾雜物[11]。對(duì)于高品質(zhì)再生鋁合金，除了爐內(nèi)噴吹精煉外，還需要采用爐外在線(xiàn)除氣過(guò)濾處理，即將鋁合金液依次流過(guò)設(shè)置在流槽上的除氣箱和過(guò)濾箱，對(duì)鋁合金液進(jìn)行深度除氣除雜。

3.4 細(xì)化變質(zhì)

細(xì)化變質(zhì)是提高再生鋁合金力學(xué)性能、耐腐蝕性能的重要手段。細(xì)化再生鋁合金的α-Al 晶粒，使α-Al 晶粒從粗大的樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變成細(xì)小均勻的等軸晶或球形晶粒，可同時(shí)提高再生鋁合金的強(qiáng)度和塑性。細(xì)化方法是在鑄造前的鋁合金液中加入晶粒細(xì)化劑，如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-C 等。對(duì)于品質(zhì)要求高的再生鋁合金，應(yīng)當(dāng)添加足量的精煉劑，選用高潔凈的晶粒細(xì)化劑，避免對(duì)再生鋁合金造成二次污染。對(duì)于再生鋁硅合金，還應(yīng)當(dāng)添加Si、Fe 相變質(zhì)劑，使Si 相和富Fe 相從粗大的針片狀細(xì)化變質(zhì)成細(xì)小的顆粒狀或短纖維狀，消除粗大針片狀Si 相和富Fe相對(duì)再生鋁合金性能的損害，提高再生鋁合金的性能。

4 結(jié)論

再生鋁產(chǎn)業(yè)是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)鋁工業(yè)的重要發(fā)展方向。我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)已取得巨大成就，但再生鋁產(chǎn)業(yè)依然存在不足。因此，要加強(qiáng)廢鋁預(yù)處理和熔煉再生技術(shù)研發(fā)，加大工藝改造力度，淘汰落后的工藝和設(shè)備，提高我國(guó)再生鋁質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)再生鋁產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。