廢鋁資源再生研究現(xiàn)狀

盧勇

（四川省有色冶金研究院有限公司， 四川成都 610051）

鋁土礦屬于不可再生資源，我國(guó)鋁土礦資源可開(kāi)采年限不足10年，每年依靠進(jìn)口的氧化鋁達(dá)30%～50%［1］。隨著鋁土礦資源日漸匱乏，原鋁生產(chǎn)成本不斷增加，廢鋁資源再生的優(yōu)勢(shì)日趨凸顯。廢鋁資源分為新廢料和舊廢料兩類(lèi)，新廢料是指鋁合金在各種深加工過(guò)程中產(chǎn)生的可以直接回爐重熔生產(chǎn)特定牌號(hào)鋁合金產(chǎn)品的廢料，舊廢料是指各類(lèi)鋁合金產(chǎn)品使用期結(jié)束和報(bào)廢后產(chǎn)生的廢料［2］。

再生鋁能耗僅為電解鋁的3%～5%，每生產(chǎn)1噸再生鋁，二氧化碳、硫氧化物排放量分別較原鋁生產(chǎn)工藝少0.8噸和0.06噸，水資源節(jié)約10.5噸，廢渣、廢液及固體廢料也大幅減少，節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)顯著；此外再生鋁工藝流程短，建設(shè)投資費(fèi)用僅為原鋁生產(chǎn)的十分之一［3-4］。廢鋁資源再生行業(yè)是國(guó)家支持發(fā)展的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)未來(lái)將有廣闊的發(fā)展空間，廢鋁回收再生工藝見(jiàn)圖1。

圖1 廢鋁回收再生工藝流程圖

1 廢鋁資源預(yù)處理

廢鋁資源來(lái)源廣泛、種類(lèi)繁多、成分各異、常見(jiàn)相互混雜現(xiàn)象。若未經(jīng)預(yù)處理，直接入爐熔煉，熔體成分難以控制，往往導(dǎo)致再生鋁質(zhì)量達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。預(yù)處理作為廢鋁再生第一道工序，是一個(gè)非常關(guān)鍵環(huán)節(jié)，預(yù)處理效果的好壞直接影響后續(xù)熔體凈化技術(shù)能否順利、高效的進(jìn)行［3-4］。

1.1 廢鋁分類(lèi)技術(shù)

孫德勤等人［5］將廢鋁按純鋁類(lèi)、鑄造鋁合金、變形鋁合金等類(lèi)別進(jìn)行初級(jí)分類(lèi)，結(jié)合廢鋁資源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)，又可分為包裝用鋁合金、車(chē)輛用鋁合金、建筑用鋁材、鑄鋁等。按合金成分將廢鋁分成鋁鎂合金、鋁鋅合金、鋁硅合金、鋁銅合金等幾大類(lèi)是目前最科學(xué)的廢鋁分類(lèi)方法［4、6］。有針對(duì)的分類(lèi)與堆放可以確保廢鋁原材料的相對(duì)純凈，減少?gòu)U鋁的混雜現(xiàn)象，進(jìn)而降低熔煉過(guò)程中熔體雜質(zhì)元素的含量。

分類(lèi)方法主要有顏色分類(lèi)法、激光致熔光譜分類(lèi)法、X射線熒光分類(lèi)法和光發(fā)射光譜分類(lèi)法［6］。顏色分類(lèi)法通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像分析功能，實(shí)現(xiàn)不同廢鋁合金系的分類(lèi)，如實(shí)現(xiàn)6系鋁合金（灰白色）、7系鋁合金（黑色）的分類(lèi)，但無(wú)法按照合金牌號(hào)進(jìn)行分類(lèi)。而激光致熔光譜分類(lèi)法能實(shí)現(xiàn)廢鋁合金按合金牌號(hào)分類(lèi)的功能。X射線熒光分類(lèi)法和光發(fā)射光譜分類(lèi)法通過(guò)鑒定樣品元素及成分實(shí)現(xiàn)廢鋁分類(lèi)的效果。

1.2 廢鋁分選技術(shù)

廢鋁中常含有廢紙、塑料、橡膠、涂料、油漆等有機(jī)非金屬雜質(zhì)。廢鋁分選的目的是去除有機(jī)非金屬和金屬雜質(zhì)，保證入爐熔煉前廢鋁原料的純度，減少雜質(zhì)元素進(jìn)入后續(xù)熔煉過(guò)程。

針對(duì)廢鋁中廢紙、塑料、橡膠等質(zhì)輕雜質(zhì)可以采用風(fēng)選法和浮選法進(jìn)行處理，在發(fā)達(dá)國(guó)家最為廣泛使用的是浮選法。浮選法又分為濕式浮選法和干式浮選法，浮選介質(zhì)分別為水（水溶體）和干砂，濕式浮選法應(yīng)用最廣泛。

廢鋁表面的涂料、油漆通過(guò)干法、濕法和流化床法可以實(shí)現(xiàn)有效脫除。干法是將廢鋁投入回轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行焙燒分離，濕法是通過(guò)有機(jī)物“相似相容”的原則達(dá)到除涂層的目的。流化床法具有鋁燒損率低、效率高、回收率高等優(yōu)點(diǎn)。

金屬雜質(zhì)分選主要是分離含量較高的Cu、Fe、Zn、Mg等金屬，采用磁選法分離含F(xiàn)e及磁性廢料，工藝簡(jiǎn)單，效果明顯，永磁分離法較電磁分離法使用更加廣泛［7］。拋物分選法可從廢鋁中分離出不同密度的金屬，實(shí)現(xiàn)除雜的效果。渦流法利用洛倫茲力可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)非鋁物質(zhì)的分選效果，包括分離Zn、Mg、Cu等金屬，塑料、橡膠等非金屬。

2 廢鋁原料熔煉

廢鋁熔煉過(guò)程主要包括配料、裝爐、加熱熔化、攪拌、扒渣、合金成分調(diào)整等。廢鋁再生熔煉設(shè)備主要有回轉(zhuǎn)爐、蓄熱式熔煉爐、感應(yīng)爐、坩堝爐、反射爐［8］、雙室熔煉爐［9］。

我國(guó)廢鋁熔煉大部分使用反射爐，其造價(jià)低、操作方便，但熱效率普遍在30%以下，存在燒損率大，能耗高等缺點(diǎn)。此外，我國(guó)仍有一部分廢鋁再生企業(yè)采用落后的設(shè)備，如敞開(kāi)式坩堝爐、矩形反射爐。國(guó)外常用高效節(jié)能熔煉爐、熱回收燃燒爐及高效燃燒技術(shù)，熱效率達(dá)到85%以上，如雙室熔煉爐、傾斜式回轉(zhuǎn)爐、測(cè)井反射爐［10］。

3 熔體凈化處理技術(shù)

爐內(nèi)凈化和爐外在線凈化是實(shí)現(xiàn)熔體凈化效果的兩個(gè)重要工序，爐內(nèi)凈化效果有限，主要去除鋰、鈉、鈣、鎂等堿（土）金屬雜質(zhì)元素及大尺寸夾雜物。此外，也具有部分除氣效果。而爐外在線凈化可使小尺寸夾雜物和氣體得到有效去除。熔體凈化處理主要包含吹氣法、熔劑法和過(guò)濾法。

3.1 吹氣法

吹氣法分為單管吹氣法、多孔噴頭吹氣法、固定噴吹法及旋轉(zhuǎn)噴吹法。爐內(nèi)凈化處理后氫含量在0.24～3.0ml/100gAl，通常滿足不了產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，后續(xù)必須配套爐外在線凈化處理工藝［11］。旋轉(zhuǎn)噴吹法是目前使用最廣泛、研究最多的在線除氣技術(shù)，國(guó)外先后研發(fā)出了MINT法、SNIF法、ALPUR法以及LARS法等［10］。我國(guó)在吹氣法方面也進(jìn)行了開(kāi)發(fā)與研究，如蔣海燕等人［12］在旋轉(zhuǎn)噴吹機(jī)上并聯(lián)電磁閥，設(shè)計(jì)出脈沖進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)噴吹工藝，可實(shí)現(xiàn)高效除氫的目的。范超等人［13］應(yīng)用水模擬手段研究了偏置旋轉(zhuǎn)噴吹法，指出偏置攪拌比中心攪拌更能削弱液面旋渦，細(xì)化氣泡，使其均勻分布，減少偏聚。

3.2 熔劑法

熔劑法是把熔劑加入鋁熔體中，經(jīng)化學(xué)和物理處理后，實(shí)現(xiàn)氣體、雜質(zhì)元素和夾雜物脫除的效果。熔劑種類(lèi)繁多，主要分為精煉劑（除氣和夾雜物）和覆蓋劑（減少吸氣及熔體氧化燒損）。以Na、K為基體或以K、Mg為基體的氯化物潤(rùn)濕性好、表面張力小，適合作覆蓋劑使用。在氯化物中添加少量NaF、CaF2、Na3AIF6、Na2SiF6等氟化物可實(shí)現(xiàn)精煉效果，達(dá)到凈化鋁熔體的目的［14］。常用熔劑組成和用途見(jiàn)表1［15］。

除氯化物、氟化物外，稀土碳酸鹽、稀土氧化物、稀土中間合金、稀土鹵化物等作為稀土精煉劑的研究是近年來(lái)鋁熔體凈化領(lǐng)域較熱門(mén)的研究方向。稀土元素能實(shí)現(xiàn)固氫、脫氧、除雜等效果外，還能細(xì)化鋁合金的組織，改善合金的力學(xué)性能。

表1 常用熔劑組成和用途

3.3 過(guò)濾法

將鋁熔體通過(guò)玻璃絲布，CFF泡沫陶瓷過(guò)濾板或DBF深床過(guò)濾器等常用過(guò)濾介質(zhì)，去除懸浮夾雜物。玻璃絲布法除夾雜成本低、效果差；DBF法的除雜效率高達(dá)90%以上，且能去除20μm以下的夾雜物，但除夾雜成本較高［16］；CFF法可達(dá)到較高的過(guò)濾效果，除夾雜成本適中，Damoah等人［17-18］將AlF3覆蓋在陶瓷過(guò)濾板表面，既可有效去除夾雜物，也可實(shí)現(xiàn)鈉、鈣、鎂等金屬雜質(zhì)元素高效去除的效果。

4 熔體細(xì)化變質(zhì)處理技術(shù)

針對(duì)針狀共晶硅相通常使用Sr、Sb等合金元素變質(zhì)處理，可得到分布均勻的細(xì)小纖維狀共晶組織。對(duì)板塊狀粗晶硅，常添加P進(jìn)行變質(zhì)處理使其細(xì)化。在鋁熔體中加入一定量稀土元素，既可實(shí)現(xiàn)變質(zhì)和細(xì)化的效果，又能對(duì)熔體起到適當(dāng)?shù)膬艋饔?。在Al-Si-Mg合金中加入稀土Sc元素，形成的Al3Sc均勻分散，成為異質(zhì)形核核心，使晶粒得到細(xì)化［19］，加入0.4wt%的Sc元素使得晶粒尺寸減小80%［20］。在Al-Si-Mg 合金中加入0.6wt%（Pr+Ce）后將針狀轉(zhuǎn)化成玫瑰狀，晶粒尺寸減小達(dá)50%［21］。程旭輝等人［22］指出添加0.3wt%～0.5wt%的Al-5Ti-B中間合金對(duì)6061鋁合金具有良好的細(xì)化效果。胡華［23］在純鋁和6063鋁熔體中加入Al-Ti-B-RE中間合金，開(kāi)展熔體晶粒細(xì)化效果研究，中間合金中的第二相顆粒含有TiB2、TiAl3和Ti2Al20RE，加入稀土元素可細(xì)化TiA13和TiB2粒子，消除TiB2粒子聚集成團(tuán)沉降，Al-Ti-B-RE比Al-Ti-B的細(xì)化性能和抗衰減性能更好。剌軍等人［24］指出添加0.3wt%的Al-5Ti-B-Ce中間合金細(xì)化效果優(yōu)于Al-5Ti-B。

富鐵再生鋁熔體中Fe雜質(zhì)元素通過(guò)熔體凈化處理后，除Fe效果并不理想，當(dāng)前針對(duì)富鐵鋁熔體的研究方向是加入中和變質(zhì)劑，將針片狀的鐵相轉(zhuǎn)化成多邊形狀、漢字狀的鐵相，或細(xì)化針片狀鐵相。Ca、Be、Sr、RE(Sc、Er、Ce、Sm、La、Y)等合金元素能使鋁熔體實(shí)現(xiàn)相轉(zhuǎn)變或細(xì)化的效果。如在Al-Si-Mg合金中添加Sc，將針狀β-Al5FeSi 富鐵相轉(zhuǎn)化成細(xì)小圓球狀的Sc-Fe富鐵相(α-Al12Si6Fe2(Mg,Sc)5)，使合金性能得到改善［25］。Sc［26］、La［27］能使β-Fe相轉(zhuǎn)化成α-Fe相，Ce［28］則能細(xì)化β-Fe相，進(jìn)而提高鋁合金的力學(xué)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁土礦資源日漸匱乏，原鋁生產(chǎn)成本不斷增加，環(huán)境污染嚴(yán)重，我國(guó)廢鋁資源每年正以20%的速度增長(zhǎng)，可為廢鋁再生提供充足的原料，廢鋁再生成本低、節(jié)能減排效果好，未來(lái)將替代電解鋁，進(jìn)入發(fā)展繁榮期。

預(yù)處理是廢鋁再生的重要組成部分，我國(guó)部分再生鋁企業(yè)分選靠人工分揀完成，機(jī)械分選智能化程度低。工業(yè)生產(chǎn)中熔煉、熔體凈化、細(xì)化變質(zhì)技術(shù)相對(duì)單一，設(shè)備陳舊、落后，無(wú)法滿足廢鋁高效回收利用，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在較大差距。隨著社會(huì)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)廢鋁再生新技術(shù)也必將得到不斷發(fā)展和完善。