UBC料保級(jí)再生的工藝研究

龔 燃

(中色科技股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039)

再生易拉罐料一般包括社會(huì)回收的廢舊易拉罐和工廠回收的易拉罐生產(chǎn)殘料。其中,社會(huì)回收的廢舊易拉罐料(Used Beverage Can)被簡(jiǎn)稱為UBC料,按材質(zhì)可將其分為鋁制、馬口鐵、電解鍍鉻鋼和復(fù)合型等多種材質(zhì)。市場(chǎng)上最常見(jiàn)的UBC料主要由罐身、罐蓋和拉環(huán)三部分組成,其中又以罐身3104合金、罐蓋5052合金和拉環(huán)5182合金這種組合最具代表性。本文所研究的UBC料以上述這種社會(huì)回收的全鋁易拉罐料為主,對(duì)其進(jìn)行保級(jí)再生是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1 UBC料保級(jí)再生研究的現(xiàn)狀及意義

UBC料在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已有幾十年的回收和利用經(jīng)驗(yàn),在其保級(jí)利用方面已經(jīng)有了較為完整的回收再生體系和生產(chǎn)工藝。而在國(guó)內(nèi),UBC料的回收和利用卻很難照搬國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的UBC料重回收、輕分揀,重利用、輕保級(jí)[1],大部分UBC料被降級(jí)生產(chǎn)成ADC10、ADC12等鑄造鋁合金產(chǎn)品或者混合的無(wú)牌號(hào)合金[2,3]。

近幾年來(lái),隨著國(guó)家強(qiáng)制垃圾分類,禁止進(jìn)口洋垃圾,雙碳承諾和各種再生原料的回收分類等一系列政策和標(biāo)準(zhǔn)的推出,再生鋁尤其是具有高附加值的UBC料的回收和保級(jí)再生成為了一個(gè)熱點(diǎn)。UBC料作為再生鋁的一個(gè)重要組成部分,其保級(jí)再生工藝研究有助于國(guó)家再生鋁行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,為再生鋁行業(yè)難點(diǎn)痛點(diǎn)的突破提供技術(shù)支持。

本文擬在保級(jí)再生方面區(qū)分出UBC料與常規(guī)再生鋁的不同,根據(jù)其特點(diǎn),確定保級(jí)再生的目標(biāo),并通過(guò)對(duì)關(guān)鍵工藝中關(guān)鍵點(diǎn)的把控,使UBC料的保級(jí)再生得以實(shí)現(xiàn)。

2 UBC料的特點(diǎn)及其保級(jí)再生目標(biāo)

一般的再生鋁原料中含有液體、砂石等非金屬以及其他非鋁金屬夾雜物,可能還含有油污和漆皮,合金成分比較復(fù)雜,形態(tài)比較多樣。其通常的處理工藝流程為,拆包—破碎—磁選—渦選—X光分選—激光分選—烘烤(脫漆)—配料—熔化—精煉—調(diào)成分調(diào)溫度—在線處理—轉(zhuǎn)注鋁水或鑄造。

UBC料相比于一般再生鋁料具有以下特殊性:(1)UBC料是社會(huì)回收的易拉罐,為了便于收集和運(yùn)輸,通常被壓扁并打成包塊狀,這個(gè)過(guò)程中易裹挾夾雜物,如砂石,塑料等;(2)UBC料中雖然全鋁制易拉罐最為常見(jiàn),但仍然會(huì)有不少鐵制易拉罐夾雜其中,且很難人工分離出來(lái);(3)UBC料中一般含有飲料殘液,表面有較高占比的涂層,且破碎后均為輕薄碎料,易燒損;(4)典型的UBC料一般由三個(gè)不同牌號(hào)組成,收集和處理過(guò)程中很難分離開來(lái),混熔后成分較難調(diào)和。

針對(duì)以上特點(diǎn),我們擬定研究目標(biāo)為,逐步分離凈化UBC原料,配比生產(chǎn)出能保級(jí)使用的中間合金液;最大限度的減少金屬的損失;能夠較好的滿足環(huán)保要求,使大氣污染物排放滿足國(guó)標(biāo)。根據(jù)上述目標(biāo)及UBC料的特點(diǎn),我們將逐項(xiàng)分析找出需要著重研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

UBC料的預(yù)處理中,拆包、破碎、砂石等非金屬的去除,鐵等非鋁金屬的去除都是必要步驟,與一般再生鋁的處理方式基本一致,本文不做詳細(xì)分析。在殘液去除、脫漆處理、合金系分離、合金配比、燒損降低和污染物達(dá)標(biāo)排放這些方面著重進(jìn)行研究。

3 UBC料保級(jí)再生的關(guān)鍵工藝

UBC料中雜質(zhì)逐步分離去除的過(guò)程是金屬鋁的預(yù)處理過(guò)程。預(yù)處理時(shí),首先要保證UBC原料在固體形態(tài)時(shí)鋁罐料可以最大程度的被分揀出來(lái),如去除其中的砂石、液體等非金屬、鐵等其他非鋁金屬。進(jìn)一步還可將不同合金牌號(hào)的鋁碎料分離開來(lái),為后續(xù)的配料減輕壓力。然后,去除表面的漆皮涂層,使后續(xù)熔化時(shí)無(wú)過(guò)多的雜質(zhì)引入,減少燒損,同時(shí)減少有機(jī)煙氣的產(chǎn)生。最后,通過(guò)合理的配料和精煉工藝獲得可滿足生產(chǎn)罐料使用的合金鋁液或合金鑄錠。

3.1 預(yù)處理

為了節(jié)省空間,UBC料一般以包塊狀運(yùn)輸和儲(chǔ)存。包塊中的鋁罐料和其他夾雜物大多在壓塊時(shí)被折疊擠壓在一起。為了將其徹底分開,首先需要拆包破碎,使其中的金屬小塊盡量各自獨(dú)立,方便后續(xù)的分離。拆包破碎后,鋁碎料和砂石等非金屬雜質(zhì)可采用渦電流分選的方法進(jìn)行分離;鋼鐵類鐵磁性金屬可通過(guò)磁選機(jī)進(jìn)行分離;其他有色類非鋁金屬的分離以及UBC料中3xxx系和5xxx系的分離,可以采用X光分選機(jī)和激光分選機(jī)進(jìn)行分離[4]。

UBC料中的殘液一般包含在易拉罐料內(nèi)部,必須通過(guò)破碎才可能全部排出,為防止將含有殘液的原料加入爐內(nèi)產(chǎn)生爆炸(爆濺),需要在加入爐內(nèi)前對(duì)這種原料進(jìn)行烘干處理。烘干的工藝可以和后續(xù)的烘烤脫漆工藝合并進(jìn)行。

通過(guò)上述分析,可以看出,預(yù)處理工藝能夠在固態(tài)時(shí)將UBC料分離凈化,為后續(xù)工藝處理打好基礎(chǔ)。

3.2 烘干和脫漆工藝

涂層(主要為漆皮和油料)在UBC料中所占比例較大(約3%),處理時(shí)除了要考慮其去除率,還應(yīng)該注重環(huán)保、能耗和金屬損失,因此脫漆工藝是UBC料回收利用的關(guān)鍵工序。

常見(jiàn)的涂層去除一般有機(jī)械法、溶劑法和烘烤法幾種形式[4]。(1)機(jī)械法,一般將帶涂層的原料破碎成很小,通過(guò)機(jī)械攪動(dòng),反復(fù)摩擦去除表面涂層。這種方法將會(huì)產(chǎn)生較多的鋁粉,鋁粉中含有大量的涂層,很難回收利用且具有一定的危險(xiǎn)性。(2)溶劑法,一般是通過(guò)液體溶劑將罐料表面的涂層溶解至溶劑中,或通過(guò)浸泡降低涂層與鋁基體的附著力而使其分離,最終表面涂層成分轉(zhuǎn)移到溶劑中。這種方法所需的溶劑大多具有揮發(fā)性,且使用后較難處理,將產(chǎn)生較大的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。(3)烘烤法,一般是將一定規(guī)格的碎料送入一個(gè)設(shè)定溫度的爐(窯)中進(jìn)行烘烤,使表面的涂層氣化或者碳化。在這個(gè)過(guò)程中,一部分涂層直接碳化變成碳黑在爐(窯)中脫落,另一部分涂層將會(huì)氣化變成有機(jī)氣體,這種有機(jī)氣體可以用來(lái)充當(dāng)部分燃料,在燃燒室內(nèi)被燒掉,最后通過(guò)煙氣處理系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放。

綜合比對(duì)之下,烘烤法的方案相較于機(jī)械法和溶劑法金屬損失更小,環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)更小,可以作為一種優(yōu)先選擇的脫漆方案。

烘烤法采用的設(shè)備主要有脫漆窯和雙室爐(或多室爐)。脫漆窯通過(guò)熱循環(huán)氣體直接傳熱,使用帶有內(nèi)部襟翼的旋轉(zhuǎn)滾筒作為熱解爐,用來(lái)處理一定要求的破碎料(UBC料一般要求30～80 mm)。熱解氣體和天然氣燃燒,所產(chǎn)生的煙氣經(jīng)熱交換器冷卻,熱空氣在此過(guò)程中作為二次空氣回收。氣體處理通過(guò)后燃燒器、急冷裝置和試劑加藥器,可以達(dá)到所需的大氣排放限值。雙室熔鋁爐由直接加熱室和間接加熱室組成,兩個(gè)室一般通過(guò)電磁泵或者機(jī)械泵在外部連接,同時(shí)在兩室的隔墻上部留有洞口使?fàn)t內(nèi)氣流可以互通,下部留有洞口使鋁水可以互通。生產(chǎn)時(shí),通過(guò)電磁泵或機(jī)械泵攪動(dòng)使鋁水在兩個(gè)加熱室之間迅速流動(dòng)完成鋁水和物料的熱交換。直接加熱室有大功率的燒嘴可以用來(lái)加熱,而間接加熱室沒(méi)有,正常狀況下保持在低氧狀態(tài)。對(duì)于UBC料,在破碎脫漆后,為了減少其燒損,通過(guò)電磁泵或機(jī)械泵加入爐內(nèi)為宜,如果是少量未破碎脫漆的UBC料,則可將其放在間接加熱室的爐橋上進(jìn)行干燥和脫漆。

通過(guò)上述內(nèi)容,可以看出脫漆窯主要是烘干物料和去除漆皮涂層,生產(chǎn)效率較高;而雙室爐除了烘干和脫漆外,還要保證一定的熔化率和出鋁量,甚至初步的合金原料的調(diào)配如沖淡也可在雙室爐內(nèi)進(jìn)行,生產(chǎn)工況比較復(fù)雜。因此為了提高雙室爐的利用率,將脫漆和烘干的工作交由上游的脫漆窯處理,將燒損較小的一二級(jí)廢料的熔化交給下游的熔鋁爐進(jìn)行處理,這樣能最大限度的提高整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率,且不易將水汽、漆皮等引入鋁熔體中形成雜質(zhì),也方便后續(xù)的配料。

3.3 利用典型UBC料合理配料

經(jīng)過(guò)前述預(yù)處理和脫漆處理,配料熔化時(shí)的原料已經(jīng)全部是鋁了,此時(shí)保級(jí)使用的目標(biāo)就是通過(guò)配料的方式盡量調(diào)配出典型易拉罐料中某種合金牌號(hào),進(jìn)而生產(chǎn)出這種牌號(hào)的合金液體。

(1)保級(jí)合金牌號(hào)的選定。假定UBC來(lái)料為典型的制罐合金(表1),其在前序已經(jīng)與各種雜質(zhì)完全分離,但未能按合金系列分離開來(lái),合金系列可通過(guò)X光分選和激光分選分離開來(lái),但這種情況配料更為簡(jiǎn)單,此處不做討論。罐身3104合金、罐蓋5052合金和拉環(huán)5182合金的UBC來(lái)料中,合金重量比例基本等于新易拉罐上各部分鋁自身的重量比例。由于不同時(shí)期罐料壁厚不同,易拉罐自身各部分的重量亦有所不同[5],但其計(jì)算過(guò)程、推導(dǎo)過(guò)程和得出的結(jié)論不會(huì)有太大變化。以典型的未噴涂易拉罐各部分重量為例,得出未噴涂易拉罐各部分重量比例(表2)。

表1 易拉罐直接熔化混合合金與主要組成合金成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 未噴涂易拉罐各部分重量比例

典型制罐合金化學(xué)成分含量(表1),以及表2中得出的罐體、罐蓋和拉環(huán)重量比例,直接將各部分混熔得到的合金組成,可按以下公司進(jìn)行計(jì)算。以Si為例,混合合金中Si含量=67%×0.6%+31%×0.25%+2%×0.2%=0.48%。以Mg為例,3104合金中給出的Mg含量范圍是0.8%～1.3%,計(jì)算時(shí)我們?nèi)≈虚g值,Mg含量按照(0.8%+1.3%)/2來(lái)計(jì)算,5052合金中的Mg含量按照(2.2%+2.8%)/2來(lái)計(jì)算,5182中的Mg含量按照(4%+5%)/2來(lái)計(jì)算,則混合合金中,Mg含量=67%×(0.8%+1.3%)/2+31%×(2.2%+2.8%)/2+2%×(4%+5%)/2 =1.6%。以Cr為例,3104合金中Cr沒(méi)有要求,按0計(jì)算,5052合金中Cr含量按照(0.15%+0.35%)/2來(lái)計(jì)算,5182合金中Cr上限含量按照0.1%來(lái)計(jì)算,則混合合金中,Cr含量=67%×0+31%×(0.15%+0.35%)/2+2%×0.1%=0.75%。綜合以上三種情況,依次計(jì)算出混合合金[6]中每種合金元素的占比見(jiàn)表1。

通過(guò)將混合合金里的合金元素和3104合金、5052合金、5182合金這幾種主要組成的合金元素對(duì)比,其中Si、Fe、Cu、Zn、Ti、Ga、V和其他元素均滿足3104合金成分的要求,只有Mn含量偏低需要補(bǔ)充,Mg含量偏高需要降低,Cr沒(méi)有很明確的要求暫不考慮增減。如果要將混合合金調(diào)整成5052合金或5182合金則大部分合金元素均超標(biāo),而Mg又不夠需要補(bǔ)充。因此綜合分析,3104合金是這種混合合金最佳的目標(biāo)調(diào)配牌號(hào)。

(2)合金調(diào)配。要將上述混合合金調(diào)配成3104合金,必須增加Mn含量同時(shí)降低Mg含量。增加成分Mn一般比較容易,只需要向熔體中加入一定量的鋁錳合金或者錳劑即可。而降低Mg含量一般有兩種常見(jiàn)方法,對(duì)這兩種方法進(jìn)一步分析以得出更為合理的調(diào)配方案。

第一種是采用除鎂劑除鎂的方法。這種方法對(duì)其他元素影響較小,僅降低了Mg含量。但是除去Mg的過(guò)程實(shí)際上相當(dāng)于將多余的Mg消耗掉變成了渣,這會(huì)導(dǎo)致至少減除掉了約0.3%的Mg,即混合合金中Mg含量1.6%減去3104合金中Mg含量最高值1.3%,金屬損失變大,造渣量變多。

第二種是采用沖淡的方法。向混合合金中加入一定數(shù)量的沖淡料增大熔體的總量,而保持Mg的質(zhì)量不變,則Mg的含量比例會(huì)逐步降低直至滿足3104合金的要求。要將Mg含量降低0.3%,假設(shè)需要向熔體中增加A的沖淡料能夠使含Mg 1.6%的混合合金中的Mg降低到1.3%,以滿足3104合金Mg含量的最高要求,即1×1.6%=(1+A)×1.3%,A=23.1%。這說(shuō)明要將鎂含量降至3104合金合適的范圍內(nèi),至少需要加入23.1%的沖淡料,這會(huì)大大增加沖淡料的使用,部分其他合金元素還需要進(jìn)一步增補(bǔ),進(jìn)而增加合金的生產(chǎn)成本。優(yōu)點(diǎn)是金屬?zèng)]有直接損失,基本上所有增加的元素都轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品了,無(wú)需刻意的去減少金屬元素的含量。

(3)擬采取的配料方式。本著保級(jí)使用UBC料,且最大限度減少金屬損失的原則,除鎂劑除鎂的方式盡量不選用。沖淡的方法雖然會(huì)增加部分生產(chǎn)成本,但是其優(yōu)點(diǎn)也十分明顯,不會(huì)直接損失金屬。常見(jiàn)的沖淡料可以采用1xxx再生合金、電解鋁液和重熔用鋁錠中的一種或幾種進(jìn)行組合。如果采用1xxx再生合金或重熔用鋁錠,由于其在價(jià)格上沒(méi)有優(yōu)勢(shì),且固體料本身燒損較大,同等情況下采用固體料比采用電解鋁液燒損約大0.5%,則此方案不是首選。如果沖淡料是電解鋁液,電解鋁液的燒損較少且有助于易拉罐碎料前期的熔化,同時(shí)碎料的浸沒(méi)式熔化燒損較小,這種可以同時(shí)減少燒損降低能耗的沖淡方式,優(yōu)勢(shì)較大,是一個(gè)優(yōu)選方案。

綜上,如果有電解鋁液優(yōu)先選用電解鋁液的沖淡方式配料,如果沒(méi)有電解鋁液,可以選用1xxx再生合金或重熔用鋁錠沖淡的方式配料,盡量不選用除鎂劑的方式進(jìn)行配料。

3.4 熔煉鑄造

去除涂層的鋁罐料大都已經(jīng)破碎過(guò),在配料后下一步將被放入爐內(nèi)進(jìn)行熔化、精煉,調(diào)整成分和溫度,再經(jīng)過(guò)爐外在線精煉過(guò)濾去除堿金屬等,即可獲得滿足保級(jí)使用的合金液體或合金錠。

3.4.1 爐內(nèi)熔化

由于經(jīng)分選脫漆后加入爐內(nèi)的罐料基本都為碎料,其比表面積較大,采用常規(guī)爐型熔化其燒損變大且熔化過(guò)程中吸入的氫和水汽變多,熔體中的渣含量和氫含量將大大增加。另外脫漆設(shè)備一般有一定的脫漆率,不會(huì)保證達(dá)到100%脫漆,考慮到滿足環(huán)保達(dá)標(biāo)的要求,熔化設(shè)備應(yīng)盡量具備將有機(jī)涂層分解無(wú)害化的能力。減少碎料與空氣接觸的時(shí)間且使有機(jī)煙氣分解無(wú)害化對(duì)熔化爐的選擇至關(guān)重要。符合上述工況的熔化爐爐型主要有多室爐、雙室爐、側(cè)井爐。

(1)降低燒損。多室爐、雙室爐和側(cè)井爐一般都采用浸沒(méi)式熔化,利用鋁液的熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給鋁碎料,從而減少空氣和碎料的接觸時(shí)間以達(dá)到減少燒損的目的。無(wú)論是通過(guò)電磁泵、機(jī)械泵還是側(cè)井,其原理均是通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)的鋁熔體迅速將鋁碎料卷入爐池的鋁液中,防止其暴露于空氣中燒損掉,同時(shí)盡可能的在加入碎料的爐膛內(nèi)部維持還原性(低氧)氣氛,使碎料的熔化不是直接由燒嘴加熱熔化,而是通過(guò)底部的鋁熔體熱傳導(dǎo)熔化掉。采用這兩個(gè)重要的手段,使碎料的熔化保持了最低限度的燒損。燒損的減少會(huì)直接減少鋁渣的產(chǎn)生,熔體的吸氫也會(huì)隨之相應(yīng)減少,鋁熔體的質(zhì)量將會(huì)相應(yīng)提高[7]。

(2)保持環(huán)保。入爐的碎料中殘余的少量有機(jī)涂層,在還原性氣氛中會(huì)因?yàn)楦邷囟鴼饣?被內(nèi)部風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)送至燒嘴前。燒嘴前的高溫會(huì)使大部分有機(jī)氣體燃燒分解成無(wú)害物質(zhì),而這些無(wú)害物質(zhì)在溫度降低的過(guò)程中又會(huì)再次合成有害物質(zhì)。為避免這些有機(jī)氣體在相應(yīng)的溫度下(如二噁英在250～450 ℃區(qū)間)再次合成,部分爐型如雙室爐會(huì)設(shè)置急冷的換熱裝置,使向外輸出的煙氣在此處迅速跨過(guò)這一溫度區(qū)間,絕大多數(shù)有機(jī)物來(lái)不及二次合成便已經(jīng)送入煙氣處理系統(tǒng),滿足國(guó)標(biāo)對(duì)有機(jī)物的排放要求。

3.4.2 精煉鑄造

在爐內(nèi)和爐外出初級(jí)加工產(chǎn)品之前應(yīng)先對(duì)鋁熔體進(jìn)行凈化,以達(dá)到后續(xù)保級(jí)使用的要求[8]。由于UBC原料均為固體料,熔化爐熔化本身占用時(shí)間較長(zhǎng),而如果同時(shí)采用熔化爐作為調(diào)配合金和鑄造用的爐子,爐子的占用時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng),鑄造機(jī)就需要有大量的等待時(shí)間,這在生產(chǎn)線的配置中不是很合理。故應(yīng)該盡量在出鋁水或鑄造之前配置一個(gè)保溫爐,專門用來(lái)調(diào)整成分和溫度,并且完成爐內(nèi)精煉,以減少熔化爐的占用并提升鑄造機(jī)的效率。

在保溫爐內(nèi)精煉完成后,溫度和成分達(dá)到出鋁的要求,將鋁水通過(guò)在線處理系統(tǒng)除氣、除渣、除堿金屬[8],最后輸送到轉(zhuǎn)運(yùn)包或者經(jīng)鑄造機(jī)鑄造成合金鑄錠。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)UBC原料組成和特點(diǎn)的分析,再結(jié)合UBC料保級(jí)再生的目標(biāo),確定了預(yù)處理、脫漆、配料和熔煉鑄造為幾個(gè)關(guān)鍵工藝。經(jīng)分析研究,各關(guān)鍵工藝的保級(jí)再生關(guān)鍵點(diǎn)如下:

(1)UBC料需要經(jīng)拆包、破碎、磁選、渦選、X光分選、激光分選等預(yù)處理工藝分離凈化,為后續(xù)工藝打好基礎(chǔ)。

(2)在UBC料專用生產(chǎn)線上脫漆時(shí)應(yīng)選用脫漆窯+雙室爐的方式;在含有少量UBC料或者不確定是否含有UBC料時(shí)可獨(dú)立選用雙室爐脫漆。

(3)典型UBC料混合合金液配比成罐身合金最為經(jīng)濟(jì),配料時(shí)應(yīng)盡量選用電解鋁液沖淡,無(wú)電解鋁液時(shí)可選用1xxx再生合金或重熔用鋁錠,不宜采用除鎂劑的方式。

(4)UBC料的熔煉要兼顧降低燒損和保持環(huán)保,鑄造之前應(yīng)配備保溫爐和在線處理,以便爐內(nèi)爐外配合精煉,使熔體達(dá)到保級(jí)使用的目的。