再生鋁的熔煉技術(shù)研究

王剛，高安江，曲信磊，張敏

（1.叢林集團(tuán)有限公司，山東龍口265705；2.山東叢林鋁資源再生研究中心，山東龍口265705）

再生鋁的熔煉技術(shù)研究

王剛1，高安江1，曲信磊2，張敏2

（1.叢林集團(tuán)有限公司，山東龍口265705；2.山東叢林鋁資源再生研究中心，山東龍口265705）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的迫切要求，我國(guó)再生鋁行業(yè)近幾年來(lái)發(fā)展迅速，而熔煉技術(shù)是再生鋁應(yīng)用的一大難題。介紹了再生鋁熔煉設(shè)備，雜質(zhì)元素的去除方法，熔煉過(guò)程中的除氣及精煉凈化工藝，為再生鋁的應(yīng)用提供參考。

再生鋁；熔煉；雜質(zhì)；除氣；精煉

目前鋁是世界上使用最多的有色金屬，鋁制品被廣泛使用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著我國(guó)各行各業(yè)對(duì)鋁的需求量逐年增加，鋁的供應(yīng)量逐年增大，由于我國(guó)原鋁主要來(lái)源于電解鋁，而國(guó)內(nèi)有將近一半的氧化鋁是從國(guó)外進(jìn)口，這導(dǎo)致生產(chǎn)成本大大增加，為此需要大力發(fā)展再生鋁行業(yè)[1]。與生產(chǎn)電解鋁相比，利用廢鋁再生可以節(jié)約水電等能源達(dá)95%，其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢物較少，對(duì)環(huán)境的污染大大減少，同時(shí)使用再生鋁還可降低鋁合金制品的生產(chǎn)成本，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2,3]。

鋁合金熔煉的基本目的是：通過(guò)制定合理的熔煉工藝，得到化學(xué)成分符合生產(chǎn)要求、純凈度高的鋁合金熔體。再生鋁合金的熔煉是將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的廢鋁料、鋁屑等在熔煉爐中進(jìn)行重新熔化，并在熔融的過(guò)程中進(jìn)行除氣、除渣、變質(zhì)、精煉等工序，以得到化學(xué)成分符合要求的鋁液，最后澆注成錠。再生鋁的原料一般是一些不同合金混雜、成分不清的廢料，必須通過(guò)熔煉，并借助一定手段，排除廢料中的有害雜質(zhì)、氣體以及氧化物等，才能為鑄錠的生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)熔體[4]。下面將重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外再生鋁熔煉相關(guān)方面的技術(shù)。

1 再生鋁熔煉設(shè)備

再生鋁的熔煉鑄造過(guò)程如下：

裝爐→熔化（加硅、銅、鋅等合金元素）→扒渣→加鎂、鈹?shù)龋ㄈ绫匾鷶嚢琛印{(diào)整成分→精煉→扒渣→轉(zhuǎn)爐→變質(zhì)處理及靜置→凈化處理→鑄造。

目前國(guó)內(nèi)外的再生鋁熔煉技術(shù)包括反射爐、坩堝爐、雙室爐、高效循環(huán)反射爐、水平回轉(zhuǎn)爐、傾斜式回轉(zhuǎn)爐及感應(yīng)爐等熔煉技術(shù)[5]。其中反射爐是熔煉鋁合金的主要設(shè)備，在再生鋁行業(yè)大量應(yīng)用，并派生出許多爐型[6]。

1.1雙室反射爐

雙室反射爐內(nèi)設(shè)懸掛隔墻，將爐膛分為加熱室和熔解室。其優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）由于廢鋁料的預(yù)熱、干燥及熔化都避開(kāi)了猛烈燃燒的火焰，因此金屬燒損少。（2）熔煉時(shí)，采用循環(huán)式攪拌機(jī)循環(huán)攪拌熔體，使熔體的溫度及成分更加均勻。（3）采用了旋轉(zhuǎn)蓄熱式的加料機(jī)構(gòu)和爐型，能夠使全部煙氣余熱得到回收，因此提高了熱效率，降低了能耗。（4）在密閉的系統(tǒng)中加入廢鋁料，避免了煙氣的溢放，改善了車間的工作環(huán)境。

1.2加料井式熔煉爐

此種熔煉爐也是一種雙室反射爐，由構(gòu)成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的熔煉爐、加料井及磁力泵共同組成。再生鋁熔煉過(guò)程中，持續(xù)加熱加料井中的廢鋁料，被過(guò)熱的鋁液熔化，并在磁力泵的作用下進(jìn)入反射爐，如此反復(fù)進(jìn)行，便可達(dá)到熔煉的目的。其具有金屬燒損小，回收率高的優(yōu)點(diǎn)。此種熔煉爐適合處理碎的廢鋁料，尤其適用于鋁屑的處理。

1.3旋轉(zhuǎn)式反射爐

由于在生產(chǎn)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)爐的爐體可以旋轉(zhuǎn)360°，因此熱效率大大提高。其還具有傳熱速度快，可以基本上免去攪拌操作的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，熔融的鋁液與耐火材料是均勻接觸的，避免了對(duì)爐壁的不均勻腐蝕，增加了爐子的使用壽命。其缺點(diǎn)是使用的燃料必須是液體或氣體。

1.4落差式反射爐

落差式反射爐由相互通聯(lián)的熔化爐和熔煉爐構(gòu)成，兩者存在一定的位差，其又被稱作子母爐。落差式反射爐是一種比較適用的再生鋁熔煉爐，特別適用于含鐵高的廢鋁料的熔煉。由于熔化爐只負(fù)責(zé)廢鋁料的熔化，在整個(gè)熔煉過(guò)程中可以杜絕鐵對(duì)鋁溶液的污染，提高了熔體質(zhì)量。在使用過(guò)程中，為了減少鐵與其他雜質(zhì)元素的溶入，要盡量縮短鋁溶液在爐內(nèi)的停留時(shí)間，因此當(dāng)爐料熔化之后，要盡快將溶液放出。

1.5帶有電磁攪拌系統(tǒng)的反射爐

電磁攪拌系統(tǒng)是由英國(guó)EMP技術(shù)公司在20世紀(jì)90年代中期研發(fā)的，可用于各種反射爐和靜置爐。其優(yōu)點(diǎn)是：電磁泵堅(jiān)固結(jié)實(shí)，壽命長(zhǎng)；金屬的燒損率降低，廢鋁料的回收率明顯提高；鋁熔體的化學(xué)成分更加均勻。同時(shí)使用電磁攪拌系統(tǒng)，可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低產(chǎn)生的爐渣量，凈化車間環(huán)境。

2 熔煉過(guò)程中雜質(zhì)元素的去除

再生鋁與原鋁相比，其含有的雜質(zhì)元素較多，主要有Fe，Mg，Zn，Si，Cu，Mn等[7]。由于雜質(zhì)元素的存在會(huì)使再生鋁的性能降低，大部分鋁合金被降級(jí)使用。因此研究再生鋁生產(chǎn)過(guò)程中的雜質(zhì)元素的去除，具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

2.1Mg雜質(zhì)的去除方法

鎂可以提高鋁合金的強(qiáng)度，但是過(guò)多的鎂會(huì)使鋁合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和焊接裂紋。與其他雜質(zhì)元素相比，Mg雜質(zhì)的去除更加容易。目前，鎂的去除方法主要有以下幾種。

2.1.1自然氧化法

在高溫下鎂的親氧性比鋁更高，生成的氧化鎂可以以熔渣的形式去除。這種除鎂方法工藝比較簡(jiǎn)單，操作容易，但是在除鎂的同時(shí)，鋁或多或少也會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，加大了鋁的燒損量。

2.1.2減壓蒸餾法

利用鎂在高溫下容易揮發(fā)的特點(diǎn)，通過(guò)降低壓力，加劇鎂的揮發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)鎂與鋁的分離。

2.1.3添加熔劑法

包括除鎂劑除鎂、冰晶石除鎂和添加SiO2除鎂等方法。

2.1.4通入氣體法

在高溫條件下，氯氣可以和鎂發(fā)生反應(yīng)，生成密度較小的MgCl2，并上浮到鋁液表面，可以以熔渣的形式去除。同時(shí)氯氣還可以與氫氣和鈉發(fā)生反應(yīng)，對(duì)氧化鋁也有分解作用，因此具有良好的除氣、除渣和除鈉作用。但是由于氯氣有毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，使設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，并且還會(huì)使鑄錠生成粗大晶粒。

2.1.5吸附法

此種方法是美國(guó)礦務(wù)局的科學(xué)家研制成功的，是一種更安全、更清潔的新的除鎂工藝。其原理是將一種特制的鈦化鋰化合物捕集劑裝置放入熔融的廢鋁中，從而捕集熔液中的鎂離子。

2.2Zn雜質(zhì)的去除方法

當(dāng)Zn以雜質(zhì)的形式存在于鋁合金中時(shí)，會(huì)造成鋁合金焊接性能的降低，去除再生鋁中Zn雜質(zhì)的方法有以下幾種。

2.2.1攪拌法

攪拌法除Zn的原理是：通過(guò)用工具直接攪拌鋁熔體，促進(jìn)氧氣卷入熔體中，Zn被氧化，從而可達(dá)到除Zn的目的。但是使用這種方法除Zn效果不明顯，不僅會(huì)造成Al和其他元素大量的燒損，還會(huì)使熔體吸氣，導(dǎo)致夾雜的大量產(chǎn)生。

2.2.2沉淀法

其除Zn原理是：鋅的密度比鋁液中其他有用元素大，若對(duì)鋁液采取長(zhǎng)時(shí)間靜置，則密度較大的鋅會(huì)沉在爐底。其缺點(diǎn)是除鋅的效果受靜置時(shí)間及熔體的溫度影響較大，而長(zhǎng)時(shí)間的保溫會(huì)消耗大量的能量，同時(shí)由于銅等有用的重金屬也被除去，需要補(bǔ)加這些元素。

2.2.3真空蒸餾法

2.3Fe元素的去除方法

目前主要通過(guò)兩種方法來(lái)減輕或降低鐵對(duì)鋁合金的有害影響：一是通過(guò)一定措施降低鋁熔體中的鐵含量；二是通過(guò)采取熔體過(guò)熱、提高冷卻速度、添加變質(zhì)劑或中和劑等手段來(lái)改變鐵相在鋁合金中的組織形貌[8]。

目前，再生鋁熔煉過(guò)程中，F(xiàn)e的去除方法主要有稀釋法、重力沉降法、熔劑法、離心去除法、電磁分離法及復(fù)合凈化法等。

2.3.1稀釋法

其原理是將純鋁或含鐵量較低的鋁錠加入含鐵量較高的鋁熔體中，從而使原鋁合金中的含鐵量降低。此種方法雖然可以使熔液中Fe的含量降低，但會(huì)浪費(fèi)材料，增加成本，故一般不推薦使用。

2.3.2重力沉降法

此種方法是最簡(jiǎn)單的去除Fe的方法，其原理是：在液相線溫度以上很小的范圍內(nèi)保溫靜置一定時(shí)間，由于富鐵化合物密度比熔體密度大，在重力作用下，鐵相沉降到爐子底部，從而使上層鋁液得到凈化。其缺點(diǎn)是鐵相沉降后，從上到下其濃度呈梯度分布，因此很難徹底將鐵相與鋁熔體分離，造成鋁料的大量浪費(fèi)。

2.3.3熔劑法除鐵

一種為加錳法除鐵，一種為加硼法除鐵。工業(yè)上主要有兩種加錳方法：直接加入錳單質(zhì)和以化合物的方式加入錳。硼能極大影響鐵在鋁中的存在形式及分布狀態(tài)，但是加入硼砂或氧化硼會(huì)影響鋁熔體的質(zhì)量，因此急需尋找一種既可以去除鋁熔體中的鐵元素，又不破壞鋁熔體質(zhì)量的復(fù)合熔劑。

2.3.4離心去除法

離心去除法的原理是：由于液—固相之間存在一定的密度差，在離心力的作用下，比液相重的固體可以集中到分離器外壁。離心分離法的優(yōu)點(diǎn)是施加在鐵相上的離心力可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，速度比重力除鐵法快。

2.3.5電磁去除法

這種除鐵方法的原理是：通過(guò)合金化處理，使富鐵相在液態(tài)鋁熔體中析出，由于初生的富鐵相在導(dǎo)電性和電磁性上與熔體存在差異，在電磁場(chǎng)的作用下，其與熔體有著不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)對(duì)鋁熔體進(jìn)行連續(xù)電磁過(guò)濾法處理，這樣便可達(dá)到去除富鐵相的目的。

2.3.6復(fù)合凈化法

主要是將含有Cr，Mn，Zr，Ni這4種元素的添加劑加入到富鐵熔體中，對(duì)其進(jìn)行處理，形成多元富鐵相，這些多元富鐵化合物會(huì)隨著溫度的降低而長(zhǎng)大并沉降。再用泡沫陶瓷過(guò)濾器對(duì)沉降后的熔體進(jìn)行過(guò)濾，將未沉降的小富鐵顆粒除去。可見(jiàn)，采用這種復(fù)合凈化的方法可有效去除鋁熔體中的Fe。

3 熔煉過(guò)程中的除氣工藝

3.1氣泡浮游法除氣

其原理是在鋁液中通入某種不含氫的氣體產(chǎn)生氣泡，這些氣泡在上浮過(guò)程中能夠?qū)⑷芙庠阡X液中的氫帶出，逸入大氣。氣泡浮游法分為吹氣精煉法和氯鹽或氯化物處理法。吹氣精煉法是指將不溶于鋁熔體的惰性氣體或活性氣體吹入鋁液中，常用的有吹Cl2和吹N2凈化法。向鋁熔體中通入惰性氣體、氮?dú)夂?，?huì)有氣泡產(chǎn)生，在分壓差的作用下，熔體中的氫通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入這些氣泡，并隨著氣泡上浮、排出，以此達(dá)到除氣的目的。除此之外，熔體中的夾雜物也能在氣泡上浮的過(guò)程中被吸附，從而被除去。

3.2真空處理法

此種除氣方法是將熔體放入有一定真空度且密閉的保溫爐內(nèi)，由于氫在熔體和密閉容器中存在分壓差，熔體中的氫就會(huì)不斷生成氫氣，上浮后溢出熔體，從而被除去。真空處理法是去除鋁熔體中含有的氫的最高效的方法，但是其需要真空密閉設(shè)備，因此價(jià)格昂貴，而且此法還會(huì)使熔體產(chǎn)生很大的溫度損失，且不具備較強(qiáng)的除渣能力。

3.3超聲波除氣

鋁液中含有的氣體也可采用超聲波處理進(jìn)行有效地去除。超聲波除氣法發(fā)展于20世紀(jì)90年代，是一種新的鋁熔體凈化技術(shù)。其原理是向鋁液中通入彈性波，引起“空穴”現(xiàn)象，使鋁液結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，從而產(chǎn)生許多顯微真空穴，溶于鋁液中的氫就會(huì)迅速地進(jìn)入這些空穴中，成為氣泡核心，繼續(xù)長(zhǎng)大后，以氣泡狀逸出鋁液，從而達(dá)到除氫效果。

4 再生鋁的凈化精煉工藝

凈化精煉是再生鋁熔煉時(shí)十分重要的工序，最常用的有粉體噴吹和惰性氣體凈化處理法。目前最常用的精煉劑為氯鹽和氟鹽等，也可以采用Cl2或C2Cl6。這些精煉劑雖然具有較好的凈化精煉效果，但產(chǎn)生的AlCl3，HCl等副產(chǎn)物會(huì)對(duì)人體、環(huán)境及設(shè)備產(chǎn)生很大的損害。而精煉劑若選用N2，Ar等惰性氣體，凈化效果卻不是很好。目前比較先進(jìn)的技術(shù)是采用稀土合金對(duì)再生鋁進(jìn)行變質(zhì)、細(xì)化和精煉，充分運(yùn)用稀土元素與鋁熔體的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁熔體的凈化、精煉及變質(zhì)的一體化處理。此種精煉方法，簡(jiǎn)潔高效，能夠有效地改善再生鋁的冶金質(zhì)量，同時(shí)在處理的過(guò)程中不會(huì)伴隨有害廢氣和其他副產(chǎn)品的生成。此外，采用同時(shí)使用兩種精煉工藝的聯(lián)合精煉法，比如氯鹽-過(guò)濾、吹氬-熔劑這兩種聯(lián)合精煉法的效果均比單一精煉更好[9-11]。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)再生鋁行業(yè)雖然具有廣闊的發(fā)展前景，但同時(shí)也存在著巨大的挑戰(zhàn)：我國(guó)無(wú)論在廢鋁的預(yù)處理，還是在熔煉-鑄造以及技術(shù)研發(fā)等方面都與發(fā)達(dá)國(guó)家存在著巨大的差距。由于再生鋁的原材料主要是一些廢雜鋁，除了在熔化之前采取各種預(yù)處理手段，以消除雜質(zhì)、外來(lái)元素等進(jìn)入熔體外，如何通過(guò)熔體凈化、提純等技術(shù)以降低雜質(zhì)元素及某些合金元素的含量，從而使化學(xué)成分滿足目標(biāo)產(chǎn)品的要求，是再生鋁應(yīng)用的一大難題。因此要想獲得高端再生鋁產(chǎn)品，必須大力開(kāi)展廢鋁的高效分揀、高回收率熔煉、雜質(zhì)元素分離及熔體凈化等技術(shù)的研究。

[1]王祝堂.中國(guó)資源綜合利用[J].中國(guó)再生鋁工業(yè)，2002(9)：30-37.

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[11]孫德勤.廢鋁再生高性能產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2012(10)：65-67.

Research on the recycled aluminum smelting technology

WANG Gang1,GAO Anjiang1,QU Xinlei2,ZHANG Min2
（1.Conglin Group Co.,Ltd.,Longkou 265705,China; 2.Shandong Conglin Aluminum Resources Recycling Research Centre,Longkou 265705,China）

With the rapid development of economy and the urgent requirement of resource conservation and environmental protection,the recycled aluminum industry has developed rapidly in recent years.The smelting technology is a major problem in the application of recycled aluminum.This paper described the smelting equipment of recycled aluminum,removal method of impurity element,degassing and refining purification during process of melting. So it could provide reference for the application of recycled aluminum.

recycled aluminum;melting;impurity;degassing;refining

X758

A

1674-0912（2015）04-0031-04

2015-12-04）

王剛（1971-），男，山東龍口人，中專學(xué)歷，工程師，主要研究方向?yàn)殇X型材生產(chǎn)及制造。