铝灰中铝金属高效回收工艺探讨

文/宁增超 王 涛 赵玉兵 郑红亮 侯立涛 田海伟

在国家大力倡导发展循环经济和国家“双碳战略”的背景下，传统铝行业从业人员及相关科研技术单位也在积极探索新的铝资源发展方向[1]。循环经济中对资源利用，体现在两个方面：一方面重视减少资源的实际损耗；另一方面重视资源的回收利用。国家“双碳战略”更是将环境保护与能源有效利用提升到国家战略高度。铝金属资源既有“可再生”属性，也具有“降能”“节能”等循环资源和环保属性，因而备受瞩目。其中，铝灰是铝冶炼、熔炼、铸造过程中，由于铝金属的烧损浮在铝熔体表面的浮渣。铝灰的组成主要有铝金属、氧化物、氯盐、氟盐、氮化铝等。据国家统计局数据表明，2021年中国铝产量3850 万吨，而1t 铝可产生铝灰30～60kg[2]，可提取的铝金属占10～15%，如果仅把铝灰作为废弃物处理，将造成极大的浪费。铝灰作为铝工业生产中的全流程出现的副产品，对灰中金属的回收一直是大家关注的热点。从铝灰中提取铝金属，可以起到降低铝金属的损耗、降低铝金属原料的消耗，以及降低铝金属生产的能源消耗的作用，所以如何从铝灰中高效提取铝金属，在铝资源的循环利用体系中尤为重要。因此，本文对铝灰的回收现状进行分析与探讨，以期得到最佳的铝金属回收方式。

一、铝灰的来源与分类

1.铝灰的来源与构成

铝灰产生于电解铝、变形铝加工、再生铝加工等所有存在铝融熔的工序。其来源可分为三种：1）铝冶炼铝灰；2）变形铝合金熔铸铝灰；3）再生铝铝灰。铝灰一般指铝冶炼、变形铝合金及再生铝加工生产过程中漂浮于铝熔体表面的不熔夹杂物、氧化物、添加剂以及与添加剂进行化学反应的反应物。铝灰作为铝工业重要的固体废弃物，其组成成分非常复杂，主要含有Al、Cl、Na、N 等元素[4]，其中Al元素，以Al 金属、Al2O3、AlN 等形式存在。

铝冶炼铝灰是指氧化铝经熔盐电解生产铝的过程中，由于操作和测定器具的携带、阳极更换、出铝、铸锭以及电解槽大修，产生的铝灰。一般每生产1 吨铝会产生不少于30～50kg的铝灰。铝灰的物相组成为Al2O3、MgAl2O4、AlN、NaAl11O17和K1.6Al11O17。

在变形铝合金生产中，为避免铝的氧化物对熔体的污染，会将浮在熔体表面的氧化渣、覆盖剂和与它们混合的一部分残余铝金属等扒出炉外，形成熔炼铝灰。这种铝灰中主要成分是覆盖剂KCl、NaCl 等盐类、Al2O3、MgO、Al等。因为覆盖剂盐类对环保有一定危害，一些铝加工企业开始不使用覆盖剂，所以其铝灰成分主要以残余铝及氧化物为主。

在再生铝生产中，与变形铝生产工艺相类似，也需要扒出一部分铝灰。只是因为再生铝熔炼过程中需要多次加入废杂铝，并采用低温浸没式熔化，即所谓的“泡料”工艺，所以在其熔炼过程中一般不使用覆盖剂。熔炼过程中扒出的铝灰以浮渣中的各种氧化物、铝金属，以及未熔的铁等金属为主。

2.铝灰的分类与分级

在生产中，对铝灰往往会按照是否经过回收处理而笼统的分成两类：“一次灰”和“二次灰”。这种方法分类的铝灰，由于生产厂家和来源不同，其中的含铝量也不相同。有些直接冷却的“一次灰”，也归类到“二次灰”，既不经济也不科学。

在实际生产中另一种分类方法则是按照铝灰的颗粒度，分成大灰、中灰和细灰三类。这种分类方式一般是针对破碎、筛分后的铝灰进行的分级。大灰是刚从炉内扒出的铝灰，直接进行冷却降温成固态，所以含有很多大的灰铝凝块，含铝量较高。中灰是颗粒尺寸≥0.6mm 以上的铝灰，含有很多小的铝颗粒，含铝量12%～35%。细灰则是小于100ppm 的粉状的铝灰，灰中含铝量只有5%-18%。

为了更好的选择铝灰的处理方法，可以按照铝灰的含铝量来进行分级。这种分级方式等好处是可以根据铝含量的多少选择不同难度的铝灰提取方式，可以避免铝金属的损失。例如：含铝量40%～85%的作为一级灰料，含铝量在12%～40%的作为二级灰料，5%～12%的作为三级灰料，5%以下的作为四级灰料。一级灰料可以利用刚出炉时的温度进行热炒灰回收液态铝，也可以快速冷灰后，进行物理筛分回收固态铝。二级灰需要采用热炒灰，回收液态铝。三级灰不能单独使用，需作为热炒灰过程中冷却料使用，待铝金属熔融后回收。5%以下的四级灰，需要采用可以分离灰分的盐浴加热，以及更准确的加热温度控制才能实现灰中铝金属，已失去常规手段工业化提取价值。

二、灰中金属的回收工艺与设备分析

1.灰中金属的回收工艺

随着铝回收技术的发展和设备的研制开发，铝冶炼、铝加工企业中，铝灰中铝金属的回收过程中传统的人工熔炼生产模式，正逐步被专用回收设备所替代。铝灰的回收处理的基本处理过程如下：

扒渣→热灰处理→冷却→冷却灰筛选→二次热灰处理→冷却→冷却灰筛分→废灰处理

2.铝灰回收工艺中的主要影响因素

铝灰回收率主要受到铝灰温度、铝灰的含铝量、铝灰中夹杂物等多种因素的影响，所以铝灰的回收应当根据灰的类型有区别的进行。

（1）铝灰的温度

铝的温度对灰中铝金属的烧损尤为重要，高温会使铝金属的氧化加剧，铝灰温度温度越高铝金属烧损越大，可回收的金属损失越大。

铝灰的温度也不能过低，过低的温度液态铝金属粘度大，不利于铝液的析出与沉降。

此外，铝灰中如果含有覆盖剂盐类，熔融的盐类对金属有一定附着力，灰铝分离必须达到一定温度条件，且不同类型的熔融盐类还有不同的灰铝分离温度，在热会处理之前必须选择好合适的热灰温度，利于灰铝分离。

（2）铝灰的含铝量

铝灰中的含铝量影响体现在回收难度上，含铝量越大的铝灰，回收难度越小。含铝量越小的铝灰，回收难度越大，需要采用的工艺越复杂。

（3）铝灰的夹杂物

铝灰中夹杂物主要会对回收的金属成分的产生影响，例如：铁杂质可能造成回收的铝中铁成分超标，导致材料化学成分不合格。

3.铝灰的处理设备

铝灰处理的主要对象分别是高温铝灰和冷却灰。高温铝灰回收的是液态铝，冷却灰中回收的是固态铝。对热铝灰的处理方法，可采用压榨法、炒灰法（或称裘灰法、糗灰法、搓灰法）、离心分离法。冷却灰处理一般要先进行破碎、球磨、吸铁，然后采用密度筛分法，筛分出固态铝金属。

（1）压榨机

压榨机是采用压榨法对渣盆里的铝灰进行挤压，铝灰渣中含有的液态铝被挤压出来。铝液挤出以后，与外界的渣盆壁或冷空气接触后，就会凝固成壳，形成铝包渣的“元宝”形。待冷却后将铝壳破开，将里面的铝灰清除后复熔。这种设备的优点是设备占地小；缺点是回收处理效率较低，只有在回收工序与生产工序分离的情况下采用。

（2）浆式炒灰机

浆式炒灰机是采用炒灰法处理铝灰的设备。炒灰处理时，将热的铝灰放入炒灰机灰锅中，炒灰机的搅拌桨对热灰进行搅拌，搅拌促使液态铝与灰分离，铝液在重力作用下沉降到灰锅底部，并从放铝口放出。在搅拌过程中也可根据铝灰的温度，适当加入升温剂（或降温料），调整铝灰的温度促进铝液析出、沉降。此种设备的优点是铝的回收率较高，铝灰温度可控；缺点是生产作业环境较差，需要配备相应的除尘设备。

（3）离心式炒灰机

离心式炒灰机是离心分离法进行热灰处理的一种设备。处理铝灰时，将热铝灰放入离心式炒灰机的滚筒中，通过滚筒的旋转对铝灰进行搅拌，并利用旋转产生的离心力将铝灰中的铝液甩出来。当铝液积聚到一定液位，将铝液倾倒出来。离心分离法的优点是一次处理量大，装卸料方便；缺点是灰铝分离不彻底，回收效率低。

（4）等离子体熔融处理设备

等离子体处理炉是采用熔融法处理铝灰的一种设备。它是一种利用等离子体作为热源，在二氧化碳、甲烷、氢气等形成还原性火焰，在乏氧条件下对铝灰渣加热，使铝金属表面的氧化膜破裂，熔融的铝液可以汇聚到一起，与其灰分分离并沉降到底部，从放铝口流出。此种方法设备投资较高，目前只在国外少数工厂有应用。

（5）铝灰筛选机

铝灰筛选机主要是对冷却的铝灰块进行破碎，并对铝灰进行振动筛分、磁选筛分筛分处理的设备。这种方法可将铝灰渣中的固态铝和杂质金属分选出来，再进行熔化回收。这种方法的优点是直接回收固体金属，并能将铁金属夹杂物分离出来；缺点是在铝灰冷却过程中，铝金属已经有一部分烧损，降低了灰中铝的回收率，且还需要破碎等预处理过程，生产环境噪音较大。

4.炒灰剂

炒灰剂的主要成分是升温剂和熔剂，升温剂是为了提高铝灰的温度，熔剂则是为了破坏铝表面的氧化膜，降低铝表面的张力，提高铝的浸润性，使铝液滴可以更好地相互汇聚融合。在炒灰剂使用中应注意保证铝灰的温度在适当的区间，以促进升温剂能够快速起效，并使熔剂处于熔融状态，方能达到快速出铝，且又能保证升温剂不烧损金属。在铝含量5～8%的铝灰炒灰回收时，需要适当提高炒灰剂中熔剂的占比，提高铝液微小液滴的浸润性，促进铝液滴融合。炒灰剂的优点是在热灰处理时有效提高铝金属的回收率；缺点是炒灰剂会产生一定量的有害气体，造成环境污染。

三、总结与展望

在国家大力倡导循环经济和可持续发展战略的趋势下，铝灰中铝金属的高效回收是铝工业可持续发展的关键环节。本文对铝灰的类型、成分构成，以及特点做了分析，通过分析我们可以看到，铝灰回收处理过程具有复杂性和多样性。针对不同类型的铝灰可以采用以下措施可以提高铝灰中金属的回收效率：

1.通过选择适当铝灰的温度、对铝灰的搅拌时间，以及选择添加炒灰剂的时机和用量等工艺参数，可以提高铝灰中铝金属的回收效率。

2.针对不同的铝灰类型，合理选择铝灰回收处理设备，可以高效地实现铝灰中金属的回收处理；不同的回收处理工艺，改进回收工艺参数，选用专用的回收设备，加入适当的炒灰剂，均可以提高铝灰中金属的回收的效率。

我们也应该看到，目前我国铝灰中铝金属处理处于相对初级的发展阶段，铝灰回收处理技术及工序仍然比较粗放，设备相对简陋，生产环境比较恶劣，无论是回收工艺、生产设备都需要提高和完善，我们对铝灰回收技术的研究还有待进一步深入和拓展。

此外，铝灰回收只集中在对灰中金属的回收，铝灰中AlN、Al2O3等可利用成分仍然与铝灰回收后的产物一起处理，并没有实现资源的有效利用和循环发展。铝灰有毒有害的固体废物，仍然对环境造成较大破坏，所以铝生产企业应当重视铝灰回收和利用技术的研究，从而推动我国铝行业向“绿色”“低碳”“环保”的可持续道路上发展。