废铝再生技术分析与对策

2022-01-01胡妙关

中国金属通报 2021年13期

胡妙关

（江苏海光金属有限公司，江苏宿迁 223700 ）

近二十年来，我国铝行业经历了从低靡到高涨的迅速发展，当前我国铝使用量和电解铝产量均已位于世界前列。但随着铝矿资源不断减少以及环保问题逐渐突出，再生铝技术的发展得到广泛关注。再生铝即使用回收的废铝为原料，进行一系列的加工熔化处理，最后经过提炼生产出铸造铝锭；而传统制铝是通过开采铝土矿的方法，由于铝的易氧化性，自然界不存在单质铝，因此铝土矿中主要含铝成份是氧化铝，对氧化铝进行电解即可产生铝单质。与铝土矿电解制铝相比再生铝回收制铝有以下几点优势，①再生铝原料获取成本更低，回收铝废料价格相对低，而开采铝矿成本高；②再生铝回收制铝更加环保，再生回收方式压缩了铝在自然界中的循环时间，节约了自然资源；③再生铝回收熔炼更节约能源，电解制铝需要的更多能源，而再生铝回收更节能。目前，全球再生铝产量已达原铝产量1/3，数据表明2020年全球再生铝产量3471万吨，与众多发达国家相比，我国再生铝产量与原铝的比重很低，仅为16.26%，日本再生铝产量占比达100%，美国为80%，欧洲一些发达国家再生铝占比也较高，这就意味着我国需要耗费大量的能量资源去开采原铝。而电解生产原铝需要的能量是熔化废铝的20倍，每生产1吨再生铝可节约标准煤443千克，少排放二氧化碳0.8吨、二氧化硫0.6吨，减少固体废物20吨[1]。此外，在铝消费方面，我国也是全球铝消费大国，并且进十年来铝消费呈连续增长，随着社会经济的发展，汽车行业、电缆行业、轻量化电子产品行业、以及航空航天行业对铝的需求日益增加，我国对铝资源需求与铝供应之间的矛盾也逐渐突出，因此再生铝技术发展受到广泛关注，被认为是解决当前矛盾的可行策略。

1 再生铝熔炼工艺

由于废铝类型混杂，不同废铝成分的含铝量也不同，废铝中还含有其他金属杂质等，因此废铝首先需要经过回炉熔化，之后再进过进行提炼处理等工艺才能再生使用。目前，在整个废铝熔炼工艺中，控制铝锭性能品质有四个关键环节，即废铝回收、预处理、废铝熔炼和熔体净化四个环节。

1.1 废铝回收

废铝是再生铝原料的来源，因此废铝回收是铝再生的首要环节，并且工作量巨大且繁杂，对铝成分的含量、杂质含量都要进行不同程度的分级。发达国家对铝再生技术研究较早，已经形成成熟的废铝回收体系，具备大型的废铝回收公司，例如美国铝业、阿莱利斯等企业，其对废铝回收要求有着专业的标准；针对特殊行业西方国家有着专门的回收体系，例如汽车废铝的回收率达90%以上；并且在铝资源利用上已经形成闭环生命周期，废铝处理站与铝合金厂有稳定的合作关系，加速了废铝处理的过程。此外，政府部门对废铝再生相关问题十分重视，颁布了相关政策和行业标准进行规范和引导，并对民众进行宣传，鼓励引导民众回收废铝。而国内尚未形成完整的回收体系，废铝原料主要依靠进口。

1.2 预处理

经过废铝回收初步获得再生铝原料，但废铝中还具有各种杂质，成分复杂，例如油漆、塑料、泥土、其他金属等等，因此还需要经过预处理去除杂质以及分类。预处理有拆解破碎、水洗、干燥、除杂、分选等步骤。拆解破碎较为简单，国外已经实现自动化，国内多为人工分拣方式；除杂则是预处理的难点，需要进行多个流程，对于不同杂质有不同的方法。例如对于有机杂质，可以采用干湿法、脱漆炉去除废铝上的漆膜；对于塑料类杂质，可以根据其特点采用浮选法，塑料会漂浮在介质溶液从而方便去除；对于有特点的废铝可以创造特定的方法，例如导线类废铝可以采用加热揉搓法；金属类采用磁选、重力分选、涡流法等技术来分离。近年来国外科研人员研发了一些新的分类技术，例如激光诱导能谱分析技术(LIBS)，能够按照牌号进行更加细致地分类。

1.3 废铝熔炼

经过预处理后便得到较为整洁的铝及铝合金原料，然后需要进行熔炼以获得铝液。熔炼过程还要根据不同铝型进行工艺调整，以降低熔炼过程中的能耗。一般针对熔化工艺和容练设备进行优化，熔炼工艺可以通过改变废铝料的尺寸大小、表面积与体积比、下料方式，合理选择加热方式、熔炼时间，适量投放覆盖剂、催化剂等方式[2，3]；熔炼设备可以使用双室反射炉，间接利用火焰热能，依靠高温液体融化废铝，防止与火焰直接接触导致铝液烧损，此外还需注意余热点回收利用，提高燃料燃烧率，利用回收余热对铝料预热，可以减少熔炼时间，提高熔炼效率。除此之外，对于一些前沿技术可以适当参考使用，例如二室或多室熔炼技术、电磁搅拌技术、高效燃烧技术等。

1.4 熔体净化

熔炼后得到的铝液往往含有一些金属熔渣、氧化物、合金化合物、甚至重金属元素等杂质，需要进行进一步的熔体净化处理。在铝工业生产中，常常采用精炼剂、喷吹法及复合精炼技术等净化方法。精炼剂一般使用氟化物、氯化物等，优点是精炼效果好、纯度高，缺点是在使用过程中容易产生有害气体等副物质；喷吹法指向铝液中喷如或吹入一定量的气体，使气体与杂质结合形成易分离物质，常用的气体有氯气、氮气等；复合精炼技术即结合精炼剂和喷吹法，达到两种除杂方法的优势。此外，由于稀土具有良好的净化特性，近年来，稀土也常用在对铝液熔体精炼过程中。还有一些其他方法，包括非吸附净化法、旋转喷吹法等；目前较为前沿的在线铝液精炼系统LARS法、半固态成形反向挤压技术等新型熔体净化技术也值得参考。

2 我国再生铝产业现状

我国铝产业发展起步较晚，建国以来以发展钢铁产业为主，20世纪70年代我国才开始发展再生铝，2020年我国再生铝产量达到了715万吨，位列世界第二，再生铝已经成为中国铝工业的重要组成部分。虽然我国再生铝生产量很高，但铝产品质量低，产品只能用在低端领域，对于性能要求高的高端领域极少使用国产再生铝。造成再生铝品质低下的主要原因在于熔炼工艺落后，特别是在预处理、熔体净化方面技术落后，导致在熔炼中铝液中含有大量金属残渣以及氧化杂质，从而降低了铸铝的质量。此外我国再生铝熔炼设备不够先进，对于一些特殊的含铝合金，难以精确提炼出金属杂质。国产再生铝一般仅用在汽车、摩托车配件领域，很少用于轧制挤压等高性能要求的铝加工行业。

2.1 我国再生铝行业特点

结合我国再生铝产业发展现状，可以得到如下特点。①再生铝利用率低，我国在生理通常用于低端产品，而对于性能要求较高的高端产业使用很少，从而导致我国再生铝在低端领域产能过剩，大量低端铝产品得不到应用，因而利用率很低。②再生铝降级使用，铝材根据性能指标可分为多个等级，例如制作易拉罐的铝材就属于高档铝材。我国废铝罐回收率超过97%，是废铝资源的一大版块，但在熔炼时废铝罐往往要伴随其它低端废铝料一同熔炼，造成易拉罐等高档废铝料的巨大浪费。③高杂质低性能，当前我国再生铝产品杂质含量较高，熔炼技术不够先进，缺乏分选和精炼剂相关研究，在铝液熔体中通常含有较高比例的铁、铜、镁、硅等杂质元素，从而导致铝材性能低。

2.2 再生铝面临的主要问题

造成再生铝品质低下的主要原因在于熔炼工艺落后，特别是在预处理、熔体净化方面技术落后，并且熔炼设备不够先进。

（1）预处理技术。我国分选技术落后，在多数发达国家已经实现机械化和自动化分选，而我国仍然以人工分选为主，分选工人凭借自己的经验进行分拣与拆解，对于企业来说短期成本低，大多数企业不愿花费高昂资金用来引进先进分选设备。但实际上人工方式不仅效率低，而且分选效果差，由于工人工作负荷大，难以实现精细地分拣，往往只进行简单的初步判断。因此在随后的预处理环节中保留了部分杂质，导致在入炉熔炼时产生大量废气，对环境造成严重污染。此外，许多企业缺乏废铝保级意识，不对废铝进行分级，出现不同品质和类型的废铝同类对待，导致废铝降级，造成资源浪费，并且分选不合格会对后续工艺造成影响。

（2）熔体净化技术。我国企业对杂质净化技术研究不够深入，缺乏实验数据以及理论支撑。杂质净化涉及到熔体与杂质的相互作用、稀土催化剂作用、熔体成分等各个方面，单纯依靠工人经验难以选择合适的精炼剂。在精炼剂方面，我国缺乏系统研究，目前主要采用氯化物、氟化物、氧化性盐[4]来精炼熔体，这些精炼剂含有的卤族元素在使用过程中容易产生有害气体。有些精炼剂只针对个别杂质，还需要对数种精炼剂混合调制才能实现净化目的，而熔炼剂种类越多则副作用越大，对铝液熔体再次产生污染。国内对精炼剂的调制研究较少。国外有SNIF法等先进工艺，净化效果好，但因其成本过高，很少有国内企业使用。

（3）熔炼设备方面。国内企业普遍采用普通反射炉作为熔炼设备，这种直接加热原料的方式，具有烧损大、回收率低的缺点，特别在熔炼碎铝屑或薄铝时，其回收率更低。普通反射炉使用天然气、煤炭等传统燃料作为能源，一方面由于设备技术不先进，热效率较低，不超过50%，一半热量随炉体、烟气损失，导致热能的浪费严重；另一方面由于燃料燃烧产生的废气会对环境造成污染。数据表明，按照国内技术，每熔炼一吨废铝需要消耗80千克燃料，而使用国外技术所需燃料为国内的一半。国外较多采用双室炉或多室炉，与普通反射炉相比，多室炉具备更高的热效率，并且铝的回收率也很高，但由于成本限制，国内应用较少。