韓 逸,錢維鋒,朱 雯,馮 丹,楊書瑜,劉金炎,趙丕植
(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司 蘇州分公司,江蘇 蘇州 215026)
近年來,在經(jīng)濟(jì)快速增長的拉動(dòng)下,我國的鋁加工行業(yè)得到了迅猛發(fā)展,并持續(xù)保持良好的發(fā)展態(tài)勢。自2002年我國鋁產(chǎn)量躍居世界首位之后,到目前鋁產(chǎn)量一直保持在世界的前列。2021年我國鋁加工材產(chǎn)量4 470萬t,同比增長6.2%。鋁加工行業(yè)對(duì)原鋁的需求與消耗量逐年遞增[1-5]。我國電解鋁產(chǎn)量接近4 000萬t,為全球需求的60%以上。然而我國鋁土礦儲(chǔ)量少,僅占世界儲(chǔ)量的3.1%,很大程度上依賴進(jìn)口,對(duì)外依存度高,這種資源供給不足已明顯成為制約我國鋁加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[6-9]。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年我國用鋁儲(chǔ)量約3.6億t。隨著人們生活水平的提升,用鋁儲(chǔ)量將不斷增加,預(yù)計(jì)2030年我國的用鋁儲(chǔ)量將達(dá)到8.8億t,形成巨大的“城市鋁礦山”[10-18]。面對(duì)儲(chǔ)量巨大的“城市鋁礦山”,按照年5%的比例回收推算,2030年我國廢鋁供應(yīng)量將達(dá)到4 400萬t,市場對(duì)于鋁材產(chǎn)品的需求量將維持在7 000萬t左右水平,而電解鋁產(chǎn)能已逼近紅線,原鋁需求在逐漸減少,再生鋁在不斷增加[19-25]。
生產(chǎn)1 t再生鋁所需能源僅相當(dāng)于生產(chǎn)原鋁的5%左右,碳排放僅相當(dāng)于生產(chǎn)原鋁的10%[26-29]。再生鋁作為一種綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的產(chǎn)品,十分契合“碳達(dá)峰,碳中和”的綠色發(fā)展理念。一旦將“城市鋁礦山”高效利用起來,將為我國未來鋁合金市場的可持續(xù)發(fā)展提供充足的資源保障,有利于打造綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè),對(duì)帶動(dòng)我國鋁行業(yè)走新型工業(yè)化之路,科學(xué)發(fā)展再生鋁產(chǎn)業(yè)具有十分重要的意義。本文介紹了我國再生鋁行業(yè)現(xiàn)狀,提出了廢鋁回收面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),并結(jié)合國內(nèi)外最新研究進(jìn)展和案例,總結(jié)了廢鋁回收的核心技術(shù),為再生鋁產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)步提供參考。
據(jù)安泰科統(tǒng)計(jì),到2020年底,全國再生鋁產(chǎn)能為1 400萬t/a左右,產(chǎn)業(yè)規(guī)模居全球首位,2020年再生鋁產(chǎn)量725萬t[27-28],在鋁供應(yīng)中占比保持在16%左右。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看,目前國內(nèi)再生鋁企業(yè)以鑄造鋁合金錠為主,部分企業(yè)布局變形合金扁錠、圓錠等加工坯料。根據(jù)安泰科測算,2020年我國再生鋁產(chǎn)品中,鑄造鋁合金占比74%,變形鋁合金占比23%,剩余為煉鋼脫氧劑等,其中汽車行業(yè)占到再生鋁消費(fèi)量60%以上[26]。
從原料結(jié)構(gòu)來看,目前進(jìn)口廢鋁與國內(nèi)廢鋁并存,但近年來廢鋁進(jìn)口政策趨緊,2020年鋁廢碎料進(jìn)口82.5萬t,較2010年下降71%,廢鋁占比由2010年的50%降至2020年的16%,形成以國內(nèi)回收廢鋁為主,進(jìn)口廢鋁為輔的原料結(jié)構(gòu)[30]。
從產(chǎn)業(yè)分布來看,中國再生鋁企業(yè)多布局在沿海港口地區(qū)。隨著國內(nèi)廢鋁產(chǎn)生量的持續(xù)增長,內(nèi)陸廢鋁集散地開始聚集再生鋁生產(chǎn)企業(yè)。截至2020年底,再生鋁企業(yè)主要集中在沿海地區(qū)和內(nèi)陸成渝、江西、河南等地,其中江蘇、廣東、浙江、河北、重慶、江西、山東為7大再生鋁產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),這些地區(qū)再生鋁產(chǎn)量合計(jì)占全國總量的84%。
從能耗角度來看,根據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)(見表1),生產(chǎn)1 t再生鋁能耗僅為原鋁5%,僅產(chǎn)生0.5 t二氧化碳排放。根據(jù)國內(nèi)的數(shù)據(jù),與生產(chǎn)等量的原鋁相比,生產(chǎn)1 t再生鋁相當(dāng)于節(jié)約3.4 t標(biāo)準(zhǔn)煤,節(jié)水14 m3,減少固體廢物排放20 t[31-32]。尤其在我國,能源稟賦決定我國鋁行業(yè)碳排放高于國外水電豐富國家的。根據(jù)安泰科數(shù)據(jù),2020年中國80%的電解鋁生產(chǎn)使用煤電,鋁冶煉環(huán)節(jié)(氧化鋁、電解鋁、再生鋁)的二氧化碳排放量約為5.25億t,約占有色金屬行業(yè)排放量的77%,占全國總排放的5%[33]。僅依靠增加清潔能源比例難以實(shí)現(xiàn)碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo),必須增加再生鋁使用占比。
表1 原鋁與再生鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放對(duì)比Table 1 Comparison of energy consumption and greenhouse gas emissions between primary aluminum and recycled aluminum production
從回收方式來看,相比發(fā)達(dá)國家,我國的廢鋁回收利用方式仍相對(duì)落后。長期以來,受廢鋁原材料成分復(fù)雜的影響,我國生產(chǎn)的大部分再生鋁合金雜質(zhì)元素含量較高,只能用于生產(chǎn)鑄造鋁合金產(chǎn)品,很多優(yōu)質(zhì)的變形鋁合金廢鋁被降級(jí)使用,導(dǎo)致廢鋁的回收價(jià)值被大打折扣,造成廢鋁資源的巨大浪費(fèi)。據(jù)SMM數(shù)據(jù),我國每年只有約20%的再生鋁能夠重新生產(chǎn)相應(yīng)牌號(hào)的變形鋁合金,實(shí)現(xiàn)保級(jí)回收利用,保持廢鋁的價(jià)值[34]。然而在發(fā)達(dá)國家的再生鋁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中,變形鋁合金的占比超過一半。
從廢鋁來源來看,國內(nèi)再生鋁企業(yè)廢鋁供應(yīng)分國內(nèi)和國際兩個(gè)來源,近兩年主要以國內(nèi)廢鋁供應(yīng)為主。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)收集的數(shù)據(jù),2020年新廢鋁產(chǎn)生量約為210萬t,主要來自鋁材生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的邊角料、報(bào)廢品及切屑等,一般由生產(chǎn)廠自行回收利用,只有部分進(jìn)入社會(huì)流通。2020年舊廢鋁約為450萬t,主要來源于建筑、交通運(yùn)輸、電力電子、包裝、日用消費(fèi)品等領(lǐng)域,其中建筑領(lǐng)域占比35%、交通運(yùn)輸領(lǐng)域占比28%,是舊廢鋁最重要的兩個(gè)原料來源[5],見圖1。隨著我國汽車保有量的穩(wěn)定增長,預(yù)計(jì)到2025年會(huì)迎來汽車報(bào)廢的高峰期,來源于交通運(yùn)輸領(lǐng)域的舊廢鋁占比將會(huì)提高。
圖1 2020年我國廢鋁來源占比情況Fig.1 Proportion of sources of used scrap aluminum in China in 2020
從產(chǎn)業(yè)政策來看,近年來,再生鋁行業(yè)涉及的法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)范、制度、標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)入密集調(diào)整期[35],見表2。國家層面已經(jīng)把再生資源產(chǎn)業(yè)作為重點(diǎn)支持領(lǐng)域,鼓勵(lì)再生有色金屬行業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新,為該行業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。
表2 近兩年再生資源產(chǎn)業(yè)部分相關(guān)政策一覽表Table 2 List of relevant policies in the renewable resources industry in the past two years
通過對(duì)我們?cè)偕X行業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析可知,汽車行業(yè)占到再生鋁消費(fèi)60%以上,主要集中在鋁制部件,如車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、曲軸箱、進(jìn)氣管、變速箱、油泵等部位,大部分用鑄造鋁合金制作。目前整車輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢,對(duì)于傳統(tǒng)汽車而言,輕量化有利于提高動(dòng)力性能、減少燃料消耗、降低排氣污染。根據(jù)美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示,如果將傳統(tǒng)鋼替換為鋁,則每減少10%的重量,即可節(jié)省5%~7%的燃料,1t鋁的使用可以減少汽車服役期間碳排放20 t[36-38]。對(duì)于新能源汽車而言,輕量化不但可以增加續(xù)航里程、還能減少電池成本。
由此可見,汽車用鋁的需求增長空間較大,將成為鋁材行業(yè)的關(guān)鍵增長點(diǎn)。根據(jù)國際鋁業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析[38],在單車用鋁量方面,2018年我國乘用車與商用車單車用鋁量分別為119.7kg、99.3kg,預(yù)測到2030年,我國乘用車與商用車單車用鋁量將分別達(dá)到242.2 kg、253.2 kg,相較于2018年分別增長102.34%、154.98%。在汽車工業(yè)用鋁總量方面,2018年國內(nèi)汽車行業(yè)鋁材消費(fèi)總量為386萬t,預(yù)測到2030年,國內(nèi)汽車行業(yè)鋁材年消費(fèi)總量將達(dá)到1 070萬t。2021年,全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.95億輛,其中汽車3.02億輛,按每輛車平均用鋁量150 kg計(jì)算,則有6 000萬t鋁待回收。如果這些廢鋁都可以得到有效利用,那么我國原鋁產(chǎn)量壓力會(huì)大大減輕。
近年來隨著新能源電動(dòng)汽車普及,汽車中的鋁應(yīng)用形式發(fā)生了改變[39]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器用鋁量將逐年下降,電池包、車身覆蓋件、電動(dòng)機(jī)外殼等部位用鋁量將顯著增加,常用鋁合金種類見表3。這將導(dǎo)致燃油車用傳統(tǒng)再生壓鑄鋁合金的需求減少,而電動(dòng)車新增用鋁部件和一體化壓鑄材料等對(duì)高品質(zhì)原鋁的需求在持續(xù)增加,這將使得電動(dòng)車用鋁的碳排放量明顯提升,同時(shí)造成鋁循環(huán)回收體系的不平衡,低品質(zhì)的再生鋁嚴(yán)重過剩。此外,由于燃油車用鑄造鋁合金產(chǎn)品的種類很多[40],合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)6%~27%,在連續(xù)幾輪回收之后,合金元素的積累會(huì)越來越高,導(dǎo)致其回收再利用越來越困難。因此,如何做好鋁制品的同級(jí)或升級(jí)回收利用,最大程度發(fā)揮廢鋁制品的價(jià)值是目前再生鋁行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn),亟需開發(fā)新的核心技術(shù),以實(shí)現(xiàn)廢鋁的高效低成本回收利用,促進(jìn)再生鋁產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展。
表3 汽車常用鋁制零部件合金牌號(hào)Table 3 Alloy grades of aluminum parts commonly used in automobiles
對(duì)發(fā)達(dá)國家廢舊汽車零部件回收利用的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)研分析發(fā)現(xiàn),主要回收路徑為同級(jí)和升級(jí)回收,正在開發(fā)的核心技術(shù)主要包括以下四個(gè)方面,分別為高精度分選技術(shù)、雜質(zhì)無害化技術(shù)、雜質(zhì)元素去除技術(shù)以及廢鋁升級(jí)提純技術(shù),詳見圖2。
圖2 廢舊汽車鋁制零部件回收利用技術(shù)研發(fā)路徑Fig.2 Research and development path of recycling technology for aluminum scrap parts once used on automobile
對(duì)于報(bào)廢汽車的回收,通常先將常用的零件拆下,然后通過壓制縮小體積,運(yùn)送到下游進(jìn)行破碎。報(bào)廢汽車的材料種類繁多,形狀和尺寸復(fù)雜,相互連接,難以分離。為此,需要開發(fā)便于與鐵基材料、輕質(zhì)材料和絕緣體材料分離的設(shè)備,以提高分離的效率和分揀的精度,大幅提高廢鋁的回收利用率。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)是美國的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)開發(fā)的技術(shù),20世紀(jì)90年代已用于金屬廢鋁的成分識(shí)別。目前激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法是獲得較為廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)成分定量識(shí)別技術(shù),其技術(shù)原理如圖3所示。此方法工業(yè)化應(yīng)用的主要障礙在檢測精度、檢驗(yàn)速度以及成本方面。研究顯示,數(shù)百萬美元的硬件設(shè)施,其檢驗(yàn)速度大約為5 t/h左右。近年來,有研究人員[41-43]采用機(jī)器學(xué)習(xí)等手段對(duì)激光誘導(dǎo)擊穿光譜采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)材料分類,有望在保證一定準(zhǔn)確率的前提下提高分類速度。
圖3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜原理圖Fig.3 Schematic diagram of laser-induced breakdown spectroscopy
近年來,日產(chǎn)汽車株式會(huì)社對(duì)回收的廢舊汽車板高度循環(huán)利用所需的分選技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證,對(duì)比分析兩種分選技術(shù)的準(zhǔn)確性。采用日產(chǎn)的6×××系鋁合金外板和5×××系鋁合金內(nèi)板作為研究材料,分別采用X射線法和激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對(duì)破碎后的汽車板材料進(jìn)行分選,結(jié)果發(fā)現(xiàn),X射線法對(duì)廢鋁形狀要求高,需為扁平狀,且識(shí)別準(zhǔn)確率較低,約為70%。激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對(duì)形狀要求不高,但受表面漆膜的影響較大,無法識(shí)別率在30%以上;對(duì)于不受表面漆膜影響的可識(shí)別的廢鋁,準(zhǔn)確度約為90%。因此,對(duì)于智能高效分選技術(shù)而言,一方面需要開發(fā)可操作性強(qiáng)的漆膜去除或剝離技術(shù),另一方面需要開發(fā)精度更高、成本更低的智能分選技術(shù),以提高廢鋁回收利用效率。
當(dāng)鋁制品中雜質(zhì)元素含量較高時(shí)會(huì)帶來一系列產(chǎn)品質(zhì)量問題,因此需要開發(fā)一種先進(jìn)的加工工藝技術(shù),即使對(duì)于雜質(zhì)元素稍微過量的材料也能滿足產(chǎn)品的應(yīng)用要求。這些工藝包括快速冷卻和強(qiáng)制固溶技術(shù),以及超細(xì)晶和析出物納米化等控制技術(shù)。
在汽車鋁板領(lǐng)域,諾貝麗斯開發(fā)出易回收汽車板5754RC、5182RC,w(Fe)高達(dá)0.3%,回收料占比75%以上。其核心關(guān)鍵技術(shù)包括調(diào)整合金元素配比,改善富鐵相形貌,并通過工藝優(yōu)化,控制富鐵相的尺寸[44-45],使其細(xì)小彌散均勻分布,抑制其在后續(xù)成形過程中帶來的不利影響。通過上述核心關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā),諾貝麗斯實(shí)現(xiàn)了汽車鋁板的閉環(huán)回收并大幅降低了成本。
日本佐藤達(dá)男教授[46]通過D-SSF(Deformation Semisolid Forming)工藝生產(chǎn)一種w(Fe)高達(dá)1%的Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg合金,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鑄態(tài)組織中有β-AlFeSi、Mg2Si和Si相經(jīng)過D-SSF工藝后,被破碎為細(xì)小分散的含鐵金屬間化合物,促進(jìn)了再結(jié)晶晶粒的形核,并抑制了晶粒的生長,如圖4所示。同時(shí),與常規(guī)合金相比,經(jīng)過D-SSF工藝加工的高Fe含量合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率均明顯提高,合金的伸長率高達(dá)20%。說明D-SSF工藝可以將w(Fe)=1%的Fe對(duì)合金的有害影響有效降低,并做到無害化。
圖4 Al-1Mg-2.4Si-1Fe合金的光學(xué)顯微組織照片F(xiàn)ig.4 Optical micrographs of Al-1Mg-2.4Si-1Fe alloy
廢鋁制品在回收時(shí),總是不可避免地會(huì)混入異種材料和不同系列的鋁制品,進(jìn)而導(dǎo)致Fe、Si、Zn、Mg、Ti和Pb等雜質(zhì)元素含量較高。在變形鋁合金中,由于沖壓、拉拔和彎曲等成型加工條件非常嚴(yán)格,因此對(duì)各種雜質(zhì)元素的容限度都有嚴(yán)格的上限要求,需要開發(fā)雜質(zhì)元素去除技術(shù),以提高廢鋁循環(huán)利用率。
Fe元素是再生鋁熔煉中最常出現(xiàn)的含量超標(biāo)元素,也是對(duì)產(chǎn)品性能危害最大的雜質(zhì)元素,除去難度較大。目前解決這一問題的思路主要為除去Fe元素和調(diào)控含鐵相。其中鋁熔體中鐵雜質(zhì)的去除技術(shù)主要包括離心去除、電磁分離、陶瓷過濾、脈沖電流、超聲波和熔劑去除法[47-50]等。改善富鐵相在鋁合金中的組織形貌的技術(shù)主要有添加稀土元素、添加中和元素和熱處理等方法[51-53]。以上方法目前均處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段,尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,需要持續(xù)予以關(guān)注。
此外,美國鋁業(yè)公司于2020年4月發(fā)表一篇化合物法去除雜質(zhì)Fe元素的專利[54],通過在廢鋁熔體中添加一種或多種含鐵金屬間化合物形成劑材料,通過分離比重較大的含鐵金屬間化合物顆粒來提純3×××和4×××系鋁合金,其技術(shù)路線圖見圖5。這一方法具有較高的除Fe率,當(dāng)聯(lián)合使用含Mn和Si熔劑時(shí),可使再生3×××和4×××系鋁合金的w(Fe)從0.57%降至約0.13%,且適合工業(yè)化應(yīng)用。此項(xiàng)技術(shù)的核心關(guān)鍵點(diǎn)在于,除Fe熔劑成分的優(yōu)化設(shè)計(jì),使其能夠提供足夠?qū)挼募兓瘻囟却翱趤矸蛛x含鐵金屬間化合物,為工藝設(shè)計(jì)提供可操作性。
圖5 化合物法去除鐵雜質(zhì)元素技術(shù)路線圖Fig.5 Technical roadmap for removing iron impurities by compound method
目前針對(duì)鋁合金提純的技術(shù)主要包括三層液電解法、偏析法、熔鹽法、蒸餾法等,尚未有針對(duì)雜質(zhì)元素含量較高的廢鋁提純技術(shù),需要開發(fā)適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的低成本、綠色環(huán)保型提純技術(shù),可以創(chuàng)造一個(gè)全新的價(jià)值鏈,實(shí)現(xiàn)廢鋁的升級(jí)循環(huán)利用。
近期,日本東北大學(xué)朱鴻民老師團(tuán)隊(duì)[55]開發(fā)了一種固態(tài)電解法提純技術(shù),引發(fā)行業(yè)的高度關(guān)注。此項(xiàng)技術(shù)的最大特點(diǎn)是陽極和陰極均為固態(tài),陽極是固態(tài)鑄造鋁合金,陰極是固態(tài)高純鋁,且熔鹽電解液加熱溫度低(500 ℃),所以能耗低,是傳統(tǒng)三層液電解法能耗的一半,具體參數(shù)比對(duì)情況詳見表4。固態(tài)電解法基本原理是利用電化學(xué)電位法(見圖6)把電位控制在鋁析出電位附近,讓陽極溶解的鋁在陰極析出,得到99.9%的純鋁。盡管此固態(tài)電解法目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,但在廢鋁回收領(lǐng)域具有非常大的工業(yè)應(yīng)用前景。
圖6 日本東北大學(xué)開發(fā)的固態(tài)電解法示意圖Fig.6 Schematic diagram of the solid-state electrolysis method developed by Tohoku University in Japan
表4 各電解工藝對(duì)應(yīng)的參數(shù)Table 4 Comparison of parameters corresponding to each electrolysis process
隨著新能源汽車的日益普及,在汽車報(bào)廢后,傳統(tǒng)燃油車用鋁合金壓鑄件面臨保級(jí)和升級(jí)回收的困境,而電動(dòng)車新增用鋁部件和一體化壓鑄材料等對(duì)高品質(zhì)原鋁的需求在持續(xù)增加,導(dǎo)致鋁制零部件的碳排放量明顯提升,且循環(huán)回收體系失衡,亟需開發(fā)顛覆性的相關(guān)核心技術(shù)予以解決。
最新的廢鋁制零部件回收利用關(guān)鍵技術(shù)中,廢鋁同級(jí)回收路徑主要包括高精度分選技術(shù)開發(fā)、雜質(zhì)無害化技術(shù)開發(fā)、雜質(zhì)元素去除技術(shù)開發(fā);升級(jí)回收路徑包括廢鋁提純技術(shù)開發(fā)。以上技術(shù)需要我們持續(xù)跟蹤最新研究進(jìn)展并加強(qiáng)相關(guān)的研發(fā)工作,盡快攻克再生鋁循環(huán)回收利用的技術(shù)難點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)化障礙,使我國再生鋁產(chǎn)業(yè)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),促進(jìn)再生鋁的保級(jí)和升級(jí)回收循環(huán)利用,推動(dòng)鋁加工行業(yè)朝著低碳綠色可持續(xù)方向發(fā)展,保障鋁資源的有效供給,助力我國早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。