鋁灰中鋁金屬高效回收工藝探討

文/寧增超 王 濤 趙玉兵 鄭紅亮 侯立濤 田海偉

在國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略”的背景下，傳統(tǒng)鋁行業(yè)從業(yè)人員及相關(guān)科研技術(shù)單位也在積極探索新的鋁資源發(fā)展方向[1]。循環(huán)經(jīng)濟(jì)中對(duì)資源利用，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面重視減少資源的實(shí)際損耗；另一方面重視資源的回收利用。國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略”更是將環(huán)境保護(hù)與能源有效利用提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。鋁金屬資源既有“可再生”屬性，也具有“降能”“節(jié)能”等循環(huán)資源和環(huán)保屬性，因而備受矚目。其中，鋁灰是鋁冶煉、熔煉、鑄造過(guò)程中，由于鋁金屬的燒損浮在鋁熔體表面的浮渣。鋁灰的組成主要有鋁金屬、氧化物、氯鹽、氟鹽、氮化鋁等。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)表明，2021年中國(guó)鋁產(chǎn)量3850 萬(wàn)噸，而1t 鋁可產(chǎn)生鋁灰30～60kg[2]，可提取的鋁金屬占10～15%，如果僅把鋁灰作為廢棄物處理，將造成極大的浪費(fèi)。鋁灰作為鋁工業(yè)生產(chǎn)中的全流程出現(xiàn)的副產(chǎn)品，對(duì)灰中金屬的回收一直是大家關(guān)注的熱點(diǎn)。從鋁灰中提取鋁金屬，可以起到降低鋁金屬的損耗、降低鋁金屬原料的消耗，以及降低鋁金屬生產(chǎn)的能源消耗的作用，所以如何從鋁灰中高效提取鋁金屬，在鋁資源的循環(huán)利用體系中尤為重要。因此，本文對(duì)鋁灰的回收現(xiàn)狀進(jìn)行分析與探討，以期得到最佳的鋁金屬回收方式。

一、鋁灰的來(lái)源與分類

1.鋁灰的來(lái)源與構(gòu)成

鋁灰產(chǎn)生于電解鋁、變形鋁加工、再生鋁加工等所有存在鋁融熔的工序。其來(lái)源可分為三種：1）鋁冶煉鋁灰；2）變形鋁合金熔鑄鋁灰；3）再生鋁鋁灰。鋁灰一般指鋁冶煉、變形鋁合金及再生鋁加工生產(chǎn)過(guò)程中漂浮于鋁熔體表面的不熔夾雜物、氧化物、添加劑以及與添加劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物。鋁灰作為鋁工業(yè)重要的固體廢棄物，其組成成分非常復(fù)雜，主要含有Al、Cl、Na、N 等元素[4]，其中Al元素，以Al 金屬、Al2O3、AlN 等形式存在。

鋁冶煉鋁灰是指氧化鋁經(jīng)熔鹽電解生產(chǎn)鋁的過(guò)程中，由于操作和測(cè)定器具的攜帶、陽(yáng)極更換、出鋁、鑄錠以及電解槽大修，產(chǎn)生的鋁灰。一般每生產(chǎn)1 噸鋁會(huì)產(chǎn)生不少于30～50kg的鋁灰。鋁灰的物相組成為Al2O3、MgAl2O4、AlN、NaAl11O17和K1.6Al11O17。

在變形鋁合金生產(chǎn)中，為避免鋁的氧化物對(duì)熔體的污染，會(huì)將浮在熔體表面的氧化渣、覆蓋劑和與它們混合的一部分殘余鋁金屬等扒出爐外，形成熔煉鋁灰。這種鋁灰中主要成分是覆蓋劑KCl、NaCl 等鹽類、Al2O3、MgO、Al等。因?yàn)楦采w劑鹽類對(duì)環(huán)保有一定危害，一些鋁加工企業(yè)開(kāi)始不使用覆蓋劑，所以其鋁灰成分主要以殘余鋁及氧化物為主。

在再生鋁生產(chǎn)中，與變形鋁生產(chǎn)工藝相類似，也需要扒出一部分鋁灰。只是因?yàn)樵偕X熔煉過(guò)程中需要多次加入廢雜鋁，并采用低溫浸沒(méi)式熔化，即所謂的“泡料”工藝，所以在其熔煉過(guò)程中一般不使用覆蓋劑。熔煉過(guò)程中扒出的鋁灰以浮渣中的各種氧化物、鋁金屬，以及未熔的鐵等金屬為主。

2.鋁灰的分類與分級(jí)

在生產(chǎn)中，對(duì)鋁灰往往會(huì)按照是否經(jīng)過(guò)回收處理而籠統(tǒng)的分成兩類：“一次灰”和“二次灰”。這種方法分類的鋁灰，由于生產(chǎn)廠家和來(lái)源不同，其中的含鋁量也不相同。有些直接冷卻的“一次灰”，也歸類到“二次灰”，既不經(jīng)濟(jì)也不科學(xué)。

在實(shí)際生產(chǎn)中另一種分類方法則是按照鋁灰的顆粒度，分成大灰、中灰和細(xì)灰三類。這種分類方式一般是針對(duì)破碎、篩分后的鋁灰進(jìn)行的分級(jí)。大灰是剛從爐內(nèi)扒出的鋁灰，直接進(jìn)行冷卻降溫成固態(tài)，所以含有很多大的灰鋁凝塊，含鋁量較高。中灰是顆粒尺寸≥0.6mm 以上的鋁灰，含有很多小的鋁顆粒，含鋁量12%～35%。細(xì)灰則是小于100ppm 的粉狀的鋁灰，灰中含鋁量只有5%-18%。

為了更好的選擇鋁灰的處理方法，可以按照鋁灰的含鋁量來(lái)進(jìn)行分級(jí)。這種分級(jí)方式等好處是可以根據(jù)鋁含量的多少選擇不同難度的鋁灰提取方式，可以避免鋁金屬的損失。例如：含鋁量40%～85%的作為一級(jí)灰料，含鋁量在12%～40%的作為二級(jí)灰料，5%～12%的作為三級(jí)灰料，5%以下的作為四級(jí)灰料。一級(jí)灰料可以利用剛出爐時(shí)的溫度進(jìn)行熱炒灰回收液態(tài)鋁，也可以快速冷灰后，進(jìn)行物理篩分回收固態(tài)鋁。二級(jí)灰需要采用熱炒灰，回收液態(tài)鋁。三級(jí)灰不能單獨(dú)使用，需作為熱炒灰過(guò)程中冷卻料使用，待鋁金屬熔融后回收。5%以下的四級(jí)灰，需要采用可以分離灰分的鹽浴加熱，以及更準(zhǔn)確的加熱溫度控制才能實(shí)現(xiàn)灰中鋁金屬，已失去常規(guī)手段工業(yè)化提取價(jià)值。

二、灰中金屬的回收工藝與設(shè)備分析

1.灰中金屬的回收工藝

隨著鋁回收技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)，鋁冶煉、鋁加工企業(yè)中，鋁灰中鋁金屬的回收過(guò)程中傳統(tǒng)的人工熔煉生產(chǎn)模式，正逐步被專用回收設(shè)備所替代。鋁灰的回收處理的基本處理過(guò)程如下：

扒渣→熱灰處理→冷卻→冷卻灰篩選→二次熱灰處理→冷卻→冷卻灰篩分→廢灰處理

2.鋁灰回收工藝中的主要影響因素

鋁灰回收率主要受到鋁灰溫度、鋁灰的含鋁量、鋁灰中夾雜物等多種因素的影響，所以鋁灰的回收應(yīng)當(dāng)根據(jù)灰的類型有區(qū)別的進(jìn)行。

（1）鋁灰的溫度

鋁的溫度對(duì)灰中鋁金屬的燒損尤為重要，高溫會(huì)使鋁金屬的氧化加劇，鋁灰溫度溫度越高鋁金屬燒損越大，可回收的金屬損失越大。

鋁灰的溫度也不能過(guò)低，過(guò)低的溫度液態(tài)鋁金屬粘度大，不利于鋁液的析出與沉降。

此外，鋁灰中如果含有覆蓋劑鹽類，熔融的鹽類對(duì)金屬有一定附著力，灰鋁分離必須達(dá)到一定溫度條件，且不同類型的熔融鹽類還有不同的灰鋁分離溫度，在熱會(huì)處理之前必須選擇好合適的熱灰溫度，利于灰鋁分離。

（2）鋁灰的含鋁量

鋁灰中的含鋁量影響體現(xiàn)在回收難度上，含鋁量越大的鋁灰，回收難度越小。含鋁量越小的鋁灰，回收難度越大，需要采用的工藝越復(fù)雜。

（3）鋁灰的夾雜物

鋁灰中夾雜物主要會(huì)對(duì)回收的金屬成分的產(chǎn)生影響，例如：鐵雜質(zhì)可能造成回收的鋁中鐵成分超標(biāo)，導(dǎo)致材料化學(xué)成分不合格。

3.鋁灰的處理設(shè)備

鋁灰處理的主要對(duì)象分別是高溫鋁灰和冷卻灰。高溫鋁灰回收的是液態(tài)鋁，冷卻灰中回收的是固態(tài)鋁。對(duì)熱鋁灰的處理方法，可采用壓榨法、炒灰法（或稱裘灰法、糗灰法、搓灰法）、離心分離法。冷卻灰處理一般要先進(jìn)行破碎、球磨、吸鐵，然后采用密度篩分法，篩分出固態(tài)鋁金屬。

（1）壓榨機(jī)

壓榨機(jī)是采用壓榨法對(duì)渣盆里的鋁灰進(jìn)行擠壓，鋁灰渣中含有的液態(tài)鋁被擠壓出來(lái)。鋁液擠出以后，與外界的渣盆壁或冷空氣接觸后，就會(huì)凝固成殼，形成鋁包渣的“元寶”形。待冷卻后將鋁殼破開(kāi)，將里面的鋁灰清除后復(fù)熔。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備占地??；缺點(diǎn)是回收處理效率較低，只有在回收工序與生產(chǎn)工序分離的情況下采用。

（2）漿式炒灰機(jī)

漿式炒灰機(jī)是采用炒灰法處理鋁灰的設(shè)備。炒灰處理時(shí)，將熱的鋁灰放入炒灰機(jī)灰鍋中，炒灰機(jī)的攪拌槳對(duì)熱灰進(jìn)行攪拌，攪拌促使液態(tài)鋁與灰分離，鋁液在重力作用下沉降到灰鍋底部，并從放鋁口放出。在攪拌過(guò)程中也可根據(jù)鋁灰的溫度，適當(dāng)加入升溫劑（或降溫料），調(diào)整鋁灰的溫度促進(jìn)鋁液析出、沉降。此種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是鋁的回收率較高，鋁灰溫度可控；缺點(diǎn)是生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境較差，需要配備相應(yīng)的除塵設(shè)備。

（3）離心式炒灰機(jī)

離心式炒灰機(jī)是離心分離法進(jìn)行熱灰處理的一種設(shè)備。處理鋁灰時(shí)，將熱鋁灰放入離心式炒灰機(jī)的滾筒中，通過(guò)滾筒的旋轉(zhuǎn)對(duì)鋁灰進(jìn)行攪拌，并利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將鋁灰中的鋁液甩出來(lái)。當(dāng)鋁液積聚到一定液位，將鋁液傾倒出來(lái)。離心分離法的優(yōu)點(diǎn)是一次處理量大，裝卸料方便；缺點(diǎn)是灰鋁分離不徹底，回收效率低。

（4）等離子體熔融處理設(shè)備

等離子體處理爐是采用熔融法處理鋁灰的一種設(shè)備。它是一種利用等離子體作為熱源，在二氧化碳、甲烷、氫氣等形成還原性火焰，在乏氧條件下對(duì)鋁灰渣加熱，使鋁金屬表面的氧化膜破裂，熔融的鋁液可以匯聚到一起，與其灰分分離并沉降到底部，從放鋁口流出。此種方法設(shè)備投資較高，目前只在國(guó)外少數(shù)工廠有應(yīng)用。

（5）鋁灰篩選機(jī)

鋁灰篩選機(jī)主要是對(duì)冷卻的鋁灰塊進(jìn)行破碎，并對(duì)鋁灰進(jìn)行振動(dòng)篩分、磁選篩分篩分處理的設(shè)備。這種方法可將鋁灰渣中的固態(tài)鋁和雜質(zhì)金屬分選出來(lái)，再進(jìn)行熔化回收。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直接回收固體金屬，并能將鐵金屬夾雜物分離出來(lái)；缺點(diǎn)是在鋁灰冷卻過(guò)程中，鋁金屬已經(jīng)有一部分燒損，降低了灰中鋁的回收率，且還需要破碎等預(yù)處理過(guò)程，生產(chǎn)環(huán)境噪音較大。

4.炒灰劑

炒灰劑的主要成分是升溫劑和熔劑，升溫劑是為了提高鋁灰的溫度，熔劑則是為了破壞鋁表面的氧化膜，降低鋁表面的張力，提高鋁的浸潤(rùn)性，使鋁液滴可以更好地相互匯聚融合。在炒灰劑使用中應(yīng)注意保證鋁灰的溫度在適當(dāng)?shù)膮^(qū)間，以促進(jìn)升溫劑能夠快速起效，并使熔劑處于熔融狀態(tài)，方能達(dá)到快速出鋁，且又能保證升溫劑不燒損金屬。在鋁含量5～8%的鋁灰炒灰回收時(shí)，需要適當(dāng)提高炒灰劑中熔劑的占比，提高鋁液微小液滴的浸潤(rùn)性，促進(jìn)鋁液滴融合。炒灰劑的優(yōu)點(diǎn)是在熱灰處理時(shí)有效提高鋁金屬的回收率；缺點(diǎn)是炒灰劑會(huì)產(chǎn)生一定量的有害氣體，造成環(huán)境污染。

三、總結(jié)與展望

在國(guó)家大力倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的趨勢(shì)下，鋁灰中鋁金屬的高效回收是鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文對(duì)鋁灰的類型、成分構(gòu)成，以及特點(diǎn)做了分析，通過(guò)分析我們可以看到，鋁灰回收處理過(guò)程具有復(fù)雜性和多樣性。針對(duì)不同類型的鋁灰可以采用以下措施可以提高鋁灰中金屬的回收效率：

1.通過(guò)選擇適當(dāng)鋁灰的溫度、對(duì)鋁灰的攪拌時(shí)間，以及選擇添加炒灰劑的時(shí)機(jī)和用量等工藝參數(shù)，可以提高鋁灰中鋁金屬的回收效率。

2.針對(duì)不同的鋁灰類型，合理選擇鋁灰回收處理設(shè)備，可以高效地實(shí)現(xiàn)鋁灰中金屬的回收處理；不同的回收處理工藝，改進(jìn)回收工藝參數(shù)，選用專用的回收設(shè)備，加入適當(dāng)?shù)某椿覄?，均可以提高鋁灰中金屬的回收的效率。

我們也應(yīng)該看到，目前我國(guó)鋁灰中鋁金屬處理處于相對(duì)初級(jí)的發(fā)展階段，鋁灰回收處理技術(shù)及工序仍然比較粗放，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)陋，生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，無(wú)論是回收工藝、生產(chǎn)設(shè)備都需要提高和完善，我們對(duì)鋁灰回收技術(shù)的研究還有待進(jìn)一步深入和拓展。

此外，鋁灰回收只集中在對(duì)灰中金屬的回收，鋁灰中AlN、Al2O3等可利用成分仍然與鋁灰回收后的產(chǎn)物一起處理，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)資源的有效利用和循環(huán)發(fā)展。鋁灰有毒有害的固體廢物，仍然對(duì)環(huán)境造成較大破壞，所以鋁生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視鋁灰回收和利用技術(shù)的研究，從而推動(dòng)我國(guó)鋁行業(yè)向“綠色”“低碳”“環(huán)?！钡目沙掷m(xù)道路上發(fā)展。