鋁灰回收加工新工藝與綜合利用研究

文/ 河南中孚實業(yè)股份有限公司 戴 飛

在鋁冶煉和成型的過程中，會產(chǎn)生多種副產(chǎn)品，作為鋁工業(yè)主要的副產(chǎn)品——鋁灰產(chǎn)生于所有鋁及鋁合金發(fā)生熔煉的工序，其中的鋁含量約占鋁生產(chǎn)過程中總損失量的3%～12%，剛出爐的鋁灰通常含有60%～80%的金屬鋁，經(jīng)過常規(guī)的回收處理后，剩余的廢鋁灰中仍含有10%～15%的金屬鋁，而此時，通常采取填埋的方式進行處理，不僅造成資源的大量浪費，同時也造成環(huán)境的污染[1]。因此，尋找經(jīng)濟有效的方法加以利用并治理鋁灰，不僅有助于提高鋁行業(yè)的經(jīng)濟效益，在實現(xiàn)資源有效循環(huán)利用的同時，還將對實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

一、鋁灰概述

1.鋁灰的來源

幾乎所有的鋁生產(chǎn)工序都產(chǎn)生鋁灰，其中的鋁含量為10%～80%不等，可歸納為以下三個部分[2]：

（1）在氧化鋁經(jīng)熔鹽電解生產(chǎn)鋁的過程中，由于操作和測定器具的攜帶、陽極更換、出鋁、鑄錠以及電解槽大修，會產(chǎn)生一定量的鋁灰。一般每生產(chǎn)1噸鋁會產(chǎn)生30～50kg的鋁灰。

（2）在消費應(yīng)用的過程中，從鑄錠、多次重熔、配制合金、零部件澆鑄，到鍛造、擠壓、軋制和切削加工，每噸鋁加工應(yīng)用的全過程將產(chǎn)生30～40kg鋁灰。

（3）廢鋁再生過程中所產(chǎn)生的鋁灰,廢鋁再生并重新加工成制品的回收率,一般為75%～85%,再生每噸廢鋁將產(chǎn)生150～250Kg鋁灰。

2.鋁灰的分類和組成

鋁灰的具體成分因產(chǎn)生路徑不同而各異，主要由金屬鋁單質(zhì)、氧化物和鹽熔劑的混合物組成。其中，金屬鋁在氧化鋁和氮化鋁的包覆下存在。根據(jù)鋁含量的不同，鋁灰可分為以下兩種（見圖1）：

圖1 鋁灰的種類

(1) 一次鋁灰，顏色呈灰白色，故又稱作白鋁灰。在電解原鋁及鑄造等不添加鹽熔劑的過程中產(chǎn)生，是一種主要成分為鋁和鋁氧化物的混合物，鋁含量可達15%～75%；

(2) 二次鋁灰，在鋁廢料的回收時添加鹽熔劑過程中產(chǎn)生，顏色呈黑灰色故又稱作黑鋁灰。其鋁含量根據(jù)加入的廢料類型和處理條件而變化，但變化范圍是7%～20%，特殊情況下會高達30%。黑色鋁渣的氧化物含量與熔劑含量幾乎相等，因其固結(jié)成塊狀被稱為鹽餅。

在上述兩種鋁灰中，鋁灰的成分因雜質(zhì)含量不同，所造成的顏色不同，具體成分含量見表1。

表1 鋁灰的成分含量

3.鋁灰對環(huán)境的影響

鋁灰中的有毒金屬元素（Se、As、Ba、Cd、Cr、Pb等）進入土壤和地下水系統(tǒng)會造成重金屬污染等負面影響；鹽餅中的鹽分積聚在土壤中會導(dǎo)致鹽堿化；接觸水后會產(chǎn)生氨氣、氫氣和甲烷，容易引起火災(zāi)；其中的砷和砷化鋁等雜質(zhì)與水發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的砷化氫氣體在生產(chǎn)場所中富集后不僅污染空氣，而且會造成密切接觸者的急性砷化氫中毒[2]。由此可見，最大限度地回收鋁灰中的有價成分，不僅可以免去填埋的需要，還能消除以上諸類污染。

二、鋁灰回收鋁常用技術(shù)[3]

1.壓榨回收法

利用壓榨回收法原理的工藝很多，“The Press”、SPM等均屬于此類，其原理是從上部將熱鋁灰裝入機器，然后施加靜壓或動壓，將熔融鋁擠壓出來，鋁的總回收率可達到62%。該法具有一系列優(yōu)點，如鋁灰不需要預(yù)先冷卻工序、裝備簡單、操作與維護費用低、工作周期短、功能完善和自動化程度高等。日本一些企業(yè)的實踐表明該回收效果較好，但國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用的效果不夠理想。

2.傾動回轉(zhuǎn)爐處理法

傾斜式回轉(zhuǎn)爐處理法集合了回轉(zhuǎn)爐、反射爐和干式平爐的優(yōu)點，運行時與水平面有一個夾角，提高了物料的均勻度和熱傳導(dǎo)效率。與同類的高溫爐相比，傾動回轉(zhuǎn)爐的熱效率最高。運行時在爐內(nèi)熔化熔劑和向爐內(nèi)加入鋁灰，爐子的回轉(zhuǎn)迫使鋁灰在熔劑表面之下，不會受到燒嘴火焰的直接沖擊，從而保證了鋁灰中鋁回收率的最大化。

3.回轉(zhuǎn)窯處理法

回轉(zhuǎn)窯處理法是目前大型企業(yè)處理鋁灰常用的方法，具有效率高、機械化程度高和便于環(huán)保處理的優(yōu)點。在處理鋁灰時，回轉(zhuǎn)窯不停地旋轉(zhuǎn)，鋁灰被反復(fù)地攪拌，鋁熔體則因自身的重力和流動性，匯集到回轉(zhuǎn)窯的底部，再根據(jù)粒度大小分別流入備用渣箱中，最后排出剩余鋁灰再進行二次處理。

4.改良的MRM法

MRM法工藝是把從熔爐中取出的熱鋁渣直接送入帶有攪拌裝置的設(shè)備中，使鋁液沉積于設(shè)備底部，這時要加入能產(chǎn)生放熱反應(yīng)的熔劑，使渣保持所需溫度。剩下的鋁渣還可進一步進行篩選、粉碎、熔化回收鋁，進行二次回收處理。在改良的MRM法中，攪拌和鋁回收的全過程在氬氣保護下進行。處理結(jié)果顯示，該法的鋁燒損率降低到4%，回收率達91%。

5.炒灰回收法

該法被小型再生鋁廠普遍采用，其具體過程是：將鋁灰混合一定量的熔劑后放置在一個傾斜的鐵鍋中，利用鋁灰自身的熱量和鋁灰中添加鈉鹽等物質(zhì)繼續(xù)氧化放熱使鋁灰的溫度升高，用鐵鍬進行翻炒。翻炒之后鋁，熔體匯集到鐵鍋底部，從而實現(xiàn)金屬鋁與鋁灰的分離，此法的優(yōu)點是操作簡單，但因為是敞開式作業(yè)，會產(chǎn)生大量煙塵，對環(huán)境造成污染，同時處理后的鋁灰含有大量的可溶性鹽，后續(xù)處理難度很大，容易引起二次污染。

三、鋁灰回收處理新技術(shù)

1.熱鋁灰中的鋁液回收

將裝有熱鋁灰的容器運送到鋁液回收機內(nèi)，向容器內(nèi)撒一些造渣劑，通過攪動葉片使鋁灰溫度升高，造成液體鋁滴周圍的氧化膜破裂，而鋁滴借助自身重力逐漸匯集到容器底部，聚集到底部的鋁液通過底部出口流到外部坩堝內(nèi)凝固，其含量一般可達到95%左右，可以直接送回熔煉爐重熔使用。此裝置能夠從熱鋁灰中回收約50%左右的鋁。

2.熱鋁灰冷卻破碎

冷渣破碎機是采用回轉(zhuǎn)壓軋的方式對鋁灰進行破碎，設(shè)備工作是通過水泵供水，對滾筒桶身表面進行噴淋，使鋁灰渣的表面溫度低于100℃，有效地減少了鋁的燒損。內(nèi)部滾筒篩分為兩段，從而將物料分為三類，在三個不同落料區(qū)下部分別放置于接料車，承接落下的大塊含鋁料90%以上可直接回爐使用，中塊含鋁料和鋁灰細粉運至冷處理設(shè)備前備用。此裝置在快速而有效地降低鋁的燒損的前提下，實現(xiàn)了金屬鋁與鋁灰的快速分離。

3.冷鋁灰的回收處理

冷鋁灰的回收處理工藝是磨碎與篩分設(shè)備的優(yōu)化組合，滿足性能穩(wěn)定、操作方便、分離效果好的工藝要求，選擇了球磨機和直線振動篩的配置。球磨機為臥式筒形旋轉(zhuǎn)裝置，冷鋁灰由進料裝置均勻地進入磨機倉，冷鋁灰在筒體轉(zhuǎn)動的過程中鋼球產(chǎn)生的重擊和研磨相互作用，經(jīng)過破碎和粉末的鋁灰通過螺旋出料口進入多層振動篩工序。直線振動篩工作時，兩電機同步反向震動產(chǎn)生反向激振力，迫使篩體帶動篩網(wǎng)做縱向運動，使鋁灰做周期性的前拋運動，從而將鋁灰篩分成大鋁粒、小鋁粒和細鋁灰三種產(chǎn)品，其中大鋁粒可直接回爐使用，中鋁粒要在坩堝熔煉后鑄錠，細鋁灰可以綜合利用。

4.防塵處理

整個攪拌與冷渣破碎的過程都在防塵密閉的環(huán)境下進行，除塵設(shè)備選用旋風(fēng)除塵和脈沖袋式除塵相結(jié)合的方式，設(shè)備上設(shè)有集塵室，用于收集煙塵，煙塵通過管道被吸入除塵系統(tǒng)，集成了過濾和吸附凈化兩種功能，最大限度地處理氧化鋁粉塵和吸附氟化物，通過兩級除塵可以達到良好的除塵效果。

5.新型鋁灰回收金屬鋁工藝流程

四、處理后鋁灰在電解鋁中的綜合利用

鋁灰綜合利用開發(fā)主要是回收金屬鋁，處理后的細鋁灰呈銀灰色粉狀物，色澤暗淡，外觀類似粉煤灰，主要有氧化鋁、氮化鋁、單質(zhì)鋁以及鎂、鈉、鈣、鐵等氧化物組成，其中以單質(zhì)和氧化物形式存在的鋁是可利用元素,一般用作生產(chǎn)聚合氯化鋁、棕剛玉、建筑材料等的原料，但在鋁電解生產(chǎn)中的應(yīng)用卻很少，據(jù)文獻記載，其應(yīng)用前景十分廣闊[4]。

1.在鋁電解槽中的添加應(yīng)用

在電解生產(chǎn)中，細鋁灰中鐵、硅影響原鋁質(zhì)量，而鈉、鈣則會改變電解質(zhì)的性質(zhì)，然而，細鋁灰與氧化鋁按一定比例進入鋁電解槽作為原料進行電解生產(chǎn)，對正常生產(chǎn)電解槽不會產(chǎn)生太大影響。此工藝不僅可以回收金屬鋁、氧化鋁，而且可以回收氮化鋁、氟化鎂及可溶性鹽等有價成分，具有高回收率、低能耗、較高經(jīng)濟效益的特點。

2.制作成陽極保護環(huán)

目前，電解鋁生產(chǎn)中普遍使用碳素保護環(huán)，但因碳素環(huán)造價高，殘極破碎過程需人工挑揀，易對電解生產(chǎn)的穩(wěn)定性造成影響。若使用細鋁灰做陽極保護環(huán)，對陽極鋼爪進行保護可以達到同樣的效果，同時在殘極破碎過程中，其可隨覆蓋料進入電解流程，對生產(chǎn)過程不會造成任何影響，既可減緩鋼爪腐蝕，又可增加經(jīng)濟效益。

五、結(jié)束語

在大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的背景下，鋁灰處理新工藝采用熱處理、冷卻回收、球磨、篩分等方式可以回收鋁灰中大部分金屬鋁，同時積極探索低含鋁量細鋁灰在鋁電解生產(chǎn)中的再生利用，使細鋁灰成為電解槽和陽極保護環(huán)的原料，變廢為寶，充分體現(xiàn)綠色環(huán)保的理念，對電解鋁行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

[1]高振朋，王芳，李鋼林，周在常.鋁灰處理工藝研究[J].鑄造設(shè)備與工藝，2011，（06）：41-41.

[2]蘇曉梅，李小忠，申秀英,鋁灰渣高效利用的試驗研究[J].華中師范大學(xué)學(xué)報，2010,44（2）：254-258.

[3]李菲，鄭磊，冀樹軍，等.鋁灰中鋁資源回收工藝現(xiàn)狀與展望[J].輕金屬，2009（12）：3-8.

[4]喬桂玲，朱廣斌，王紹鵬.鋁灰在鋁電解槽上添加應(yīng)用研究[J].輕金屬，2009（08）:43-47.

[5]郭學(xué)益，田慶華.有色金屬資源循環(huán)理論與方法.長沙：中南大學(xué)出版社，2008：16-68.