废铝的预处理与熔炼再生技术研究

2023-04-16陈学文邝治全王顺成董晓琼杨镇江

中国资源综合利用 2023年12期

陈学文，邝治全，王顺成，董晓琼，杨镇江

（1.广东工程职业技术学院，广州 510660；2.佛山市辰辉金属科技有限公司，广东佛山 528201；3.广东鸿邦金属铝业有限公司，广州 511340）

再生铝是以废铝为主要原料，经熔炼后生产的铝及铝合金。再生铝的能耗仅为电解铝的5%，碳排放量仅为电解铝的2.1%，生产1 t 再生铝，可节约3.4 t标准煤，节水22 m3，减少固体废物排放20 t[1]。发展再生铝产业是解决我国铝土矿资源短缺问题、实现我国铝工业碳减排和可持续发展的重要途径[2]。经过多年的发展，再生铝已成为我国铝工业的重要组成部分，我国已经形成较为完善的废铝回收-预处理-熔炼-加工利用产业链，产业规模不断扩大，再生铝产量持续增长[3]。2022年，我国再生铝产量达到782 万t。预计到2025年，我国再生铝产量将达到1 150 万t。

我国再生铝产业取得巨大的成就，但与发达国家相比，仍然存在较大差距[4]。首先，我国再生铝品种少，质量不够稳定。目前，我国以废铝为原料生产的再生铝合金主要是铸造铝合金，存在合金成分和物理性能不稳定等问题，导致再生铝应用范围窄。其次，我国再生铝行业的整体技术与装备水平不高，废铝预处理技术及装备落后，机械化和自动化程度低，多数再生铝企业对废铝不进行预处理，或者只做简单的挑选后便回炉熔炼，再加上熔炼和净化技术装备的投入不够，导致废铝烧损严重，不仅降低铝的回收率，也导致再生铝合金成分不达标，质量低且不稳定，未完全发挥再生铝的优势，制约再生铝产业的高质量发展。

1 废铝的来源与分类

我国再生铝企业的废铝主要有两个来源，一是国外进口的废铝，二是国内回收的废铝。目前，国内积蓄的铝制品及零部件还不够多，废铝回收的高潮尚未到来，因而国内回收的废铝还远不能满足再生铝产业的发展需要。进口废铝是目前我国再生铝企业废铝的主要来源，进口废铝相当于进口铝资源，有利于减少国内铝土矿的开采、能源消耗和保护环境。

废铝按其使用状态可分为纯铝废料、变形铝合金废料和铸造铝合金废料。纯铝废料通常是指铝含量超过99%的废铝，如各种废旧电线、易拉罐、铝箔等。变形铝合金废料是指采用挤压、轧制、锻造、冲压等塑性变形工艺成型的铝合金废料，如废旧建筑门窗、铝模板、电子外壳、汽车电池箱体、防撞梁等。纯铝及变形铝合金废料的铝含量较高，回收企业通常将该类废铝称为废熟铝。铸造铝合金废料是指采用重力铸造、高压压铸、低压铸造、挤压铸造等铸造工艺成型的铝铸件废料，如汽车铝轮毂、发动机缸体、缸盖、活塞、变速箱壳体等。铸造铝合金废料主要是铝硅合金废料，也包括铝锌合金废料、铝铜合金废料等，合金里面的铝含量相对低些，回收企业通常将该类废铝称为废生铝。

废铝按产生来源可分为生活废铝和工业废铝。生活废铝包括各种报废后回收的铝制家具、餐具以及电子电器、汽车、机电设备的铝合金零部件等。工业废铝包括铝制品生产过程中产生的各种工艺废料，如铸件冒口、废铸件，铝材加工过程中产生的边角料、残次品、头尾料、铝屑等，这类废铝料除了粘有油污的铝屑外，都是品质较好的废铝，利用价值极高，如能做好分类保管，可以直接回炉熔炼。铝灰是铝及铝合金熔炼过程中产生的浮渣，含铝量较低，但铝灰的产生量很大，因而回收价值依然很大。

进口废铝包括单一品种废铝、废铝切片和混杂废铝。单一品种废铝是指进口时品种分类清晰的废旧铝合金零部件，如废旧汽车轮毂、发动机壳体、门窗铝型材等，这些都是优质的废铝。发达国家在处理各种废旧汽车、家电和机电设备时，都是采用机械破碎方式将其破碎成碎片，然后进行机械化分选，分选出来的废铝就是废铝切片。废铝切片便于运输，大部分废铝切片较为干净，非铝夹杂物少，铝回收率高，其属于优质废铝。混杂废铝通常含有大量非铝夹杂物，成分复杂，形状各异，其属于较为低档的废铝。

目前，国内再生铝企业的废铝来源广泛且复杂，大部分都不同程度地被污染，夹裹各种非铝物，如钢铁、橡胶、塑料、木材、石头和泥土等，还覆盖有油漆、涂料、纸张和油污等。因此，回炉熔炼前，要对废铝进行预处理，分选归类越精细，预处理越好，废铝利用价值越高。

2 废铝的预处理技术

废铝预处理的目的是分离废铝中的非铝夹杂物，清除表面覆盖的油漆、涂料和水分等，获得较为干净、符合回炉条件的炉料。废铝预处理可以降低废铝烧损，提高回收率，减少成分调配难度和气渣含量，获得成分符合要求、洁净度高的高品质再生铝合金。目前，国内再生铝企业的预处理技术整体比较简单落后，主要依靠人工挑选，不仅效率低，而且难以获得高质量的废铝。国外废铝的预处理已实现机械化、自动化，能够高效去除废铝中的金属和非金属夹杂物，使废铝得到最经济最合理的利用。常见的废铝预处理技术包括破碎、磁选、浮选和焙烧等。

2.1 破碎

大块废铝首先要进行破碎处理，得到尺寸符合要求的废铝碎片，以便后续运输和装炉。破碎使废铝中的非铝夹杂物脱落分离。长条状废铝可以采用鳄口剪切机或铡刀式剪切机切成块，大截面废铝可以采用大吨位的液压剪切机切割，废旧汽车缸体、变速箱等铸铝件可以采用颚式破碎机、锤式破碎机、反击式破碎机和旋回式破碎机等机械设备进行破碎[5]。废旧电线电缆往往包覆橡胶、塑料等绝缘材料，可采用专用的电线电缆扒皮机、切割机械进行解体和切断处理[6]。

2.2 磁选

铁是铝合金的有害杂质元素，在铝合金中可形成粗大的针片状Al3Fe 等富铁相，成为铝合金断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，损害铝合金的强度、塑性、耐腐蚀性能和抗疲劳性能等。废铝往往夹带铁钉、铁块、铁线等铁质废料，在回炉前应尽可能分离去掉。磁选除铁是利用铁质废料有磁性的特性，利用磁选设备分离除掉废铝中夹杂的铁质废料。比较常见且容易实现的磁选除铁工艺是传送带十字交叉法，传送带上废铝碎块沿横向运动，进入磁场后铁质废料被吸起进入纵向传送带，离开磁场后铁质废料自动落入收集箱，实现废铝的磁选除铁[7]。

2.3 浮选

废铝往往携带橡胶、塑料、木头和泥土等轻质非铝废料，若这些废料带入熔炼炉，燃烧后会产生大量有毒和刺激性的烟气，污染环境，而且会增加铝熔体的气杂含量，增大除气除杂难度，降低再生铝品质。对于轻质非铝废料，可以采用浮选法，以水为介质，通过螺旋推进器将废铝送入水中，橡胶、塑料、木头等在水中浮起后被带走，泥土则溶解于水中进入沉降池，污水经沉降后可循环使用[7]。

2.4 选矿法

废铝往往携带铜、锌、铅、锡等有色金属废料，这些废料进入熔炼炉，会导致再生铝成分不达标。除掉这些重金属废料的一种方法是抛物选矿法[8]，该方法利用各种体积基本相同的物体在受到相同力抛出时落点不同的原理，将废铝中的有色金属废料分离出来。根据这种原理制造的设备已在国外得到应用，但造价昂贵，国内还处于研究阶段。另一种方法是重介质选矿法[8]，该方法利用铝密度比重金属密度小的原理，使废铝浮在重介质上面，而重金属废料沉降在底部，达到分离的目的。该方法需要找到一种密度大于铝又小于重金属的重介质流体，工作时重介质流体往复流动，将铜、锌、铅、锡等重金属废料从废铝中分离出来。

2.5 焙烧法

多数废铝的表面都覆盖有油漆、涂料、保护膜、涂层和油污等，如废旧建筑门窗铝型材表面的油漆，废旧易拉罐、电子电器等表面的保护涂层等，这些覆盖物的表面积大，如果不处理掉而直接回炉熔炼，会增加铝的氧化烧损和铝熔体的气渣含量，增大熔体净化难度，还会产生大量烟尘，污染环境。废铝表面的覆盖物去除一般采用回转窑焙烧法，将废铝装入以一定速度旋转的回转窑内，利用熔铝炉的热风和覆盖物碳化过程产生的热量，使废铝表面的油漆、涂料、保护膜等逐渐碳化，回转窑的旋转使得废铝相互碰撞，使碳化物从废铝表面振动脱落[7]。

3 废铝熔炼再生技术

废铝熔炼再生的常规工艺流程为：配料→装炉→熔化→扒铁→搅拌→取样→成分检测→成分调整→炉内喷吹精炼→扒渣→静置→炉外在线细化变质→在线除气过滤→铸造。为了获得高品质的再生铝合金，必须做好废铝的配料、熔化、成分检测与调整、精炼和净化处理等关键工序。

3.1 配料

配料是否合理直接关系到能否生产出成分和质量合格的再生铝合金，一般应当遵循以下原则：以生产出成分和质量合格的产品为出发点，结合工厂库存的废铝和其他原料，优化炉料配比。对于合金成分范围要求窄、杂质元素含量要求低的产品，应该以纯铝锭为主，合理配料。对于合金成分范围要求宽、杂质元素含量控制不严格的产品，可以废铝料为主进行配料，当成分出现偏差时，可以添加纯铝锭对成分进行冲淡或添加中间合金对合金成分进行补充。

3.2 熔化与扒铁

目前，国内再生铝企业主要采用蓄热式燃气反射炉熔炼废铝，余热得到充分利用，热效率高，降低了能耗，缺点是火焰与废铝直接接触，废铝氧化烧损较为严重[9]。双室炉将炉膛分为加热室和熔化室，废铝的加热和熔化都避开燃烧的火焰，可以减少废铝烧损，提高回收率[10]。为了获得高品质的再生铝合金液，避免铝合金液发生二次污染，熔化废铝时应当注意3 点。一是合理选择加热熔化温度，避免废铝过度氧化烧损，提高铝回收率。二是废铝熔化后，由于铁、铜等金属废料的熔点高，此时尚未熔化，应及时将铁、铜废料从铝合金液中扒出（俗称扒铁），扒得越及时，扒得也越干净。三是与铝合金液接触的搅拌、扒铁等操作工具应当烘干并涂涂料，避免带入水和渗铁，造成对铝合金液的二次污染。

3.3 净化处理

气孔和夹渣是铝合金的常见缺陷，这些缺陷会割裂铝基体，成为铝合金断裂的裂纹源和腐蚀起点，进而降低铝合金的强度、塑性、耐腐蚀性能和抗疲劳性能等。再生铝合金液的气渣含量通常比较高，必须做好铝合金液的净化处理，确保再生铝合金的气渣含量达到客户的要求。常用的净化方法是炉内喷吹精炼，即采用惰性气体氮气或氩气作为载体，将粉末精炼剂喷吹至铝合金液中，使精炼剂与铝合金液充分接触反应，捕获带走铝合金液中的氢气和夹杂物[11]。对于高品质再生铝合金，除了炉内喷吹精炼外，还需要采用炉外在线除气过滤处理，即将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气箱和过滤箱，对铝合金液进行深度除气除杂。

3.4 细化变质

细化变质是提高再生铝合金力学性能、耐腐蚀性能的重要手段。细化再生铝合金的α-Al 晶粒，使α-Al 晶粒从粗大的树枝晶转变成细小均匀的等轴晶或球形晶粒，可同时提高再生铝合金的强度和塑性。细化方法是在铸造前的铝合金液中加入晶粒细化剂，如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-C 等。对于品质要求高的再生铝合金，应当添加足量的精炼剂，选用高洁净的晶粒细化剂，避免对再生铝合金造成二次污染。对于再生铝硅合金，还应当添加Si、Fe 相变质剂，使Si 相和富Fe 相从粗大的针片状细化变质成细小的颗粒状或短纤维状，消除粗大针片状Si 相和富Fe相对再生铝合金性能的损害，提高再生铝合金的性能。