廢鋁再生技術(shù)分析與對策

胡妙關(guān)

（江蘇海光金屬有限公司，江蘇 宿遷 223700 ）

近二十年來，我國鋁行業(yè)經(jīng)歷了從低靡到高漲的迅速發(fā)展，當(dāng)前我國鋁使用量和電解鋁產(chǎn)量均已位于世界前列。但隨著鋁礦資源不斷減少以及環(huán)保問題逐漸突出，再生鋁技術(shù)的發(fā)展得到廣泛關(guān)注。再生鋁即使用回收的廢鋁為原料，進行一系列的加工熔化處理，最后經(jīng)過提煉生產(chǎn)出鑄造鋁錠；而傳統(tǒng)制鋁是通過開采鋁土礦的方法，由于鋁的易氧化性，自然界不存在單質(zhì)鋁，因此鋁土礦中主要含鋁成份是氧化鋁，對氧化鋁進行電解即可產(chǎn)生鋁單質(zhì)。與鋁土礦電解制鋁相比再生鋁回收制鋁有以下幾點優(yōu)勢，①再生鋁原料獲取成本更低，回收鋁廢料價格相對低，而開采鋁礦成本高；②再生鋁回收制鋁更加環(huán)保，再生回收方式壓縮了鋁在自然界中的循環(huán)時間，節(jié)約了自然資源；③再生鋁回收熔煉更節(jié)約能源，電解制鋁需要的更多能源，而再生鋁回收更節(jié)能。目前，全球再生鋁產(chǎn)量已達原鋁產(chǎn)量1/3，數(shù)據(jù)表明2020年全球再生鋁產(chǎn)量3471萬噸，與眾多發(fā)達國家相比，我國再生鋁產(chǎn)量與原鋁的比重很低，僅為16.26%，日本再生鋁產(chǎn)量占比達100%，美國為80%，歐洲一些發(fā)達國家再生鋁占比也較高，這就意味著我國需要耗費大量的能量資源去開采原鋁。而電解生產(chǎn)原鋁需要的能量是熔化廢鋁的20倍，每生產(chǎn)1噸再生鋁可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤443千克，少排放二氧化碳0.8噸、二氧化硫0.6噸，減少固體廢物20噸[1]。此外，在鋁消費方面，我國也是全球鋁消費大國，并且進十年來鋁消費呈連續(xù)增長，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車行業(yè)、電纜行業(yè)、輕量化電子產(chǎn)品行業(yè)、以及航空航天行業(yè)對鋁的需求日益增加，我國對鋁資源需求與鋁供應(yīng)之間的矛盾也逐漸突出，因此再生鋁技術(shù)發(fā)展受到廣泛關(guān)注，被認為是解決當(dāng)前矛盾的可行策略。

1 再生鋁熔煉工藝

由于廢鋁類型混雜，不同廢鋁成分的含鋁量也不同，廢鋁中還含有其他金屬雜質(zhì)等，因此廢鋁首先需要經(jīng)過回爐熔化，之后再進過進行提煉處理等工藝才能再生使用。目前，在整個廢鋁熔煉工藝中，控制鋁錠性能品質(zhì)有四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即廢鋁回收、預(yù)處理、廢鋁熔煉和熔體凈化四個環(huán)節(jié)。

1.1 廢鋁回收

廢鋁是再生鋁原料的來源，因此廢鋁回收是鋁再生的首要環(huán)節(jié)，并且工作量巨大且繁雜，對鋁成分的含量、雜質(zhì)含量都要進行不同程度的分級。發(fā)達國家對鋁再生技術(shù)研究較早，已經(jīng)形成成熟的廢鋁回收體系，具備大型的廢鋁回收公司，例如美國鋁業(yè)、阿萊利斯等企業(yè)，其對廢鋁回收要求有著專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)；針對特殊行業(yè)西方國家有著專門的回收體系，例如汽車廢鋁的回收率達90%以上；并且在鋁資源利用上已經(jīng)形成閉環(huán)生命周期，廢鋁處理站與鋁合金廠有穩(wěn)定的合作關(guān)系，加速了廢鋁處理的過程。此外，政府部門對廢鋁再生相關(guān)問題十分重視，頒布了相關(guān)政策和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范和引導(dǎo)，并對民眾進行宣傳，鼓勵引導(dǎo)民眾回收廢鋁。而國內(nèi)尚未形成完整的回收體系，廢鋁原料主要依靠進口。

1.2 預(yù)處理

經(jīng)過廢鋁回收初步獲得再生鋁原料，但廢鋁中還具有各種雜質(zhì)，成分復(fù)雜，例如油漆、塑料、泥土、其他金屬等等，因此還需要經(jīng)過預(yù)處理去除雜質(zhì)以及分類。預(yù)處理有拆解破碎、水洗、干燥、除雜、分選等步驟。拆解破碎較為簡單，國外已經(jīng)實現(xiàn)自動化，國內(nèi)多為人工分揀方式；除雜則是預(yù)處理的難點，需要進行多個流程，對于不同雜質(zhì)有不同的方法。例如對于有機雜質(zhì)，可以采用干濕法、脫漆爐去除廢鋁上的漆膜；對于塑料類雜質(zhì)，可以根據(jù)其特點采用浮選法，塑料會漂浮在介質(zhì)溶液從而方便去除；對于有特點的廢鋁可以創(chuàng)造特定的方法，例如導(dǎo)線類廢鋁可以采用加熱揉搓法；金屬類采用磁選、重力分選、渦流法等 技術(shù)來分離。近年來國外科研人員研發(fā)了一些新的分類技術(shù)，例如激光誘導(dǎo)能譜分析技術(shù)(LIBS)，能夠按照牌號進行更加細致地分類。

1.3 廢鋁熔煉

經(jīng)過預(yù)處理后便得到較為整潔的鋁及鋁合金原料，然后需要進行熔煉以獲得鋁液。熔煉過程還要根據(jù)不同鋁型進行工藝調(diào)整，以降低熔煉過程中的能耗。一般針對熔化工藝和容練設(shè)備進行優(yōu)化，熔煉工藝可以通過改變廢鋁料的尺寸大小、表面積與體積比、下料方式，合理選擇加熱方式、熔煉時間，適量投放覆蓋劑、催化劑等方式[2，3]；熔煉設(shè)備可以使用雙室反射爐，間接利用火焰熱能，依靠高溫液體融化廢鋁，防止與火焰直接接觸導(dǎo)致鋁液燒損，此外還需注意余熱點回收利用，提高燃料燃燒率，利用回收余熱對鋁料預(yù)熱，可以減少熔煉時間，提高熔煉效率。除此之外，對于一些前沿技術(shù)可以適當(dāng)參考使用，例如二室或多室熔煉技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)、高效燃燒技術(shù)等。

1.4 熔體凈化

熔煉后得到的鋁液往往含有一些金屬熔渣、氧化物、合金化合物、甚至重金屬元素等雜質(zhì)，需要進行進一步的熔體凈化處理。在鋁工業(yè)生產(chǎn)中，常常采用精煉劑、噴吹法及復(fù)合精煉技術(shù)等凈化方法。精煉劑一般使用氟化物、氯化物等，優(yōu)點是精煉效果好、純度高，缺點是在使用過程中容易產(chǎn)生有害氣體等副物質(zhì)；噴吹法指向鋁液中噴如或吹入一定量的氣體，使氣體與雜質(zhì)結(jié)合形成易分離物質(zhì)，常用的氣體有氯氣、氮氣等；復(fù)合精煉技術(shù)即結(jié)合精煉劑和噴吹法，達到兩種除雜方法的優(yōu)勢。此外，由于稀土具有良好的凈化特性，近年來，稀土也常用在對鋁液熔體精煉過程中。還有一些其他方法，包括非吸附凈化法、旋轉(zhuǎn)噴吹法等；目前較為前沿的在線鋁液精煉系統(tǒng)LARS法、半固態(tài)成形反向擠壓技術(shù)等新型熔體凈化技術(shù)也值得參考。

2 我國再生鋁產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，建國以來以發(fā)展鋼鐵產(chǎn)業(yè)為主，20世紀70年代我國才開始發(fā)展再生鋁，2020年我國再生鋁產(chǎn)量達到了715萬噸，位列世界第二，再生鋁已經(jīng)成為中國鋁工業(yè)的重要組成部分。雖然我國再生鋁生產(chǎn)量很高，但鋁產(chǎn)品質(zhì)量低，產(chǎn)品只能用在低端領(lǐng)域，對于性能要求高的高端領(lǐng)域極少使用國產(chǎn)再生鋁。造成再生鋁品質(zhì)低下的主要原因在于熔煉工藝落后，特別是在預(yù)處理、熔體凈化方面技術(shù)落后，導(dǎo)致在熔煉中鋁液中含有大量金屬殘渣以及氧化雜質(zhì)，從而降低了鑄鋁的質(zhì)量。此外我國再生鋁熔煉設(shè)備不夠先進，對于一些特殊的含鋁合金，難以精確提煉出金屬雜質(zhì)。國產(chǎn)再生鋁一般僅用在汽車、摩托車配件領(lǐng)域，很少用于軋制擠壓等高性能要求的鋁加工行業(yè)。

2.1 我國再生鋁行業(yè)特點

結(jié)合我國再生鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，可以得到如下特點。①再生鋁利用率低，我國在生理通常用于低端產(chǎn)品，而對于性能要求較高的高端產(chǎn)業(yè)使用很少，從而導(dǎo)致我國再生鋁在低端領(lǐng)域產(chǎn)能過剩，大量低端鋁產(chǎn)品得不到應(yīng)用，因而利用率很低。②再生鋁降級使用，鋁材根據(jù)性能指標(biāo)可分為多個等級，例如制作易拉罐的鋁材就屬于高檔鋁材。我國廢鋁罐回收率超過97%，是廢鋁資源的一大版塊，但在熔煉時廢鋁罐往往要伴隨其它低端廢鋁料一同熔煉，造成易拉罐等高檔廢鋁料的巨大浪費。③高雜質(zhì)低性能，當(dāng)前我國再生鋁產(chǎn)品雜質(zhì)含量較高，熔煉技術(shù)不夠先進，缺乏分選和精煉劑相關(guān)研究，在鋁液熔體中通常含有較高比例的鐵、銅、鎂、硅等雜質(zhì)元素，從而導(dǎo)致鋁材性能低。

2.2 再生鋁面臨的主要問題

造成再生鋁品質(zhì)低下的主要原因在于熔煉工藝落后，特別是在預(yù)處理、熔體凈化方面技術(shù)落后，并且熔煉設(shè)備不夠先進。

（1）預(yù)處理技術(shù)。我國分選技術(shù)落后，在多數(shù)發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)機械化和自動化分選，而我國仍然以人工分選為主，分選工人憑借自己的經(jīng)驗進行分揀與拆解，對于企業(yè)來說短期成本低，大多數(shù)企業(yè)不愿花費高昂資金用來引進先進分選設(shè)備。但實際上人工方式不僅效率低，而且分選效果差，由于工人工作負荷大，難以實現(xiàn)精細地分揀，往往只進行簡單的初步判斷。因此在隨后的預(yù)處理環(huán)節(jié)中保留了部分雜質(zhì)，導(dǎo)致在入爐熔煉時產(chǎn)生大量廢氣，對環(huán)境造成嚴重污染。此外，許多企業(yè)缺乏廢鋁保級意識，不對廢鋁進行分級，出現(xiàn)不同品質(zhì)和類型的廢鋁同類對待，導(dǎo)致廢鋁降級，造成資源浪費，并且分選不合格會對后續(xù)工藝造成影響。

（2）熔體凈化技術(shù)。我國企業(yè)對雜質(zhì)凈化技術(shù)研究不夠深入，缺乏實驗數(shù)據(jù)以及理論支撐。雜質(zhì)凈化涉及到熔體與雜質(zhì)的相互作用、稀土催化劑作用、熔體成分等各個方面，單純依靠工人經(jīng)驗難以選擇合適的精煉劑。在精煉劑方面，我國缺乏系統(tǒng)研究，目前主要采用氯化物、氟化物、氧化性鹽[4]來精煉熔體，這些精煉劑含有的鹵族元素在使用過程中容易產(chǎn)生有害氣體。有些精煉劑只針對個別雜質(zhì)，還需要對數(shù)種精煉劑混合調(diào)制才能實現(xiàn)凈化目的，而熔煉劑種類越多則副作用越大，對鋁液熔體再次產(chǎn)生污染。國內(nèi)對精煉劑的調(diào)制研究較少。國外有SNIF法等先進工藝，凈化效果好，但因其成本過高，很少有國內(nèi)企業(yè)使用。

（3）熔煉設(shè)備方面。國內(nèi)企業(yè)普遍采用普通反射爐作為熔煉設(shè)備，這種直接加熱原料的方式，具有燒損大、回收率低的缺點，特別在熔煉碎鋁屑或薄鋁時，其回收率更低。普通反射爐使用天然氣、煤炭等傳統(tǒng)燃料作為能源，一方面由于設(shè)備技術(shù)不先進，熱效率較低，不超過50%，一半熱量隨爐體、煙氣損失，導(dǎo)致熱能的浪費嚴重；另一方面由于燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣會對環(huán)境造成污染。數(shù)據(jù)表明，按照國內(nèi)技術(shù)，每熔煉一噸廢鋁需要消耗80千克燃料，而使用國外技術(shù)所需燃料為國內(nèi)的一半。國外較多采用雙室爐或多室爐，與普通反射爐相比，多室爐具備更高的熱效率，并且鋁的回收率也很高，但由于成本限制，國內(nèi)應(yīng)用較少。

3 結(jié)語

再生鋁回收制鋁有低成本、環(huán)保、節(jié)約資源和能源的優(yōu)勢，具有巨大的經(jīng)濟價值，也是未來制鋁行業(yè)的發(fā)展方向。但由于我國再生鋁產(chǎn)業(yè)起步較晚，在熔煉工藝方面相對落后，導(dǎo)致高品質(zhì)再生鋁發(fā)展困難。我國企業(yè)研究人員還需加大對再生鋁熔煉技術(shù)的研發(fā)投入，促進我國再生鋁產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。