廢鋁的預處理與熔煉再生技術研究

陳學文，鄺治全，王順成，董曉瓊，楊鎮江

（1.廣東工程職業技術學院，廣州 510660；2.佛山市辰輝金屬科技有限公司，廣東 佛山 528201；3.廣東鴻邦金屬鋁業有限公司，廣州 511340）

再生鋁是以廢鋁為主要原料，經熔煉后生產的鋁及鋁合金。再生鋁的能耗僅為電解鋁的5%，碳排放量僅為電解鋁的2.1%，生產1 t 再生鋁，可節約3.4 t標準煤，節水22 m3，減少固體廢物排放20 t[1]。發展再生鋁產業是解決我國鋁土礦資源短缺問題、實現我國鋁工業碳減排和可持續發展的重要途徑[2]。經過多年的發展，再生鋁已成為我國鋁工業的重要組成部分，我國已經形成較為完善的廢鋁回收-預處理-熔煉-加工利用產業鏈，產業規模不斷擴大，再生鋁產量持續增長[3]。2022年，我國再生鋁產量達到782 萬t。預計到2025年，我國再生鋁產量將達到1 150 萬t。

我國再生鋁產業取得巨大的成就，但與發達國家相比，仍然存在較大差距[4]。首先，我國再生鋁品種少，質量不夠穩定。目前，我國以廢鋁為原料生產的再生鋁合金主要是鑄造鋁合金，存在合金成分和物理性能不穩定等問題，導致再生鋁應用范圍窄。其次，我國再生鋁行業的整體技術與裝備水平不高，廢鋁預處理技術及裝備落后，機械化和自動化程度低，多數再生鋁企業對廢鋁不進行預處理，或者只做簡單的挑選后便回爐熔煉，再加上熔煉和凈化技術裝備的投入不夠，導致廢鋁燒損嚴重，不僅降低鋁的回收率，也導致再生鋁合金成分不達標，質量低且不穩定，未完全發揮再生鋁的優勢，制約再生鋁產業的高質量發展。

1 廢鋁的來源與分類

我國再生鋁企業的廢鋁主要有兩個來源，一是國外進口的廢鋁，二是國內回收的廢鋁。目前，國內積蓄的鋁制品及零部件還不夠多，廢鋁回收的高潮尚未到來，因而國內回收的廢鋁還遠不能滿足再生鋁產業的發展需要。進口廢鋁是目前我國再生鋁企業廢鋁的主要來源，進口廢鋁相當于進口鋁資源，有利于減少國內鋁土礦的開采、能源消耗和保護環境。

廢鋁按其使用狀態可分為純鋁廢料、變形鋁合金廢料和鑄造鋁合金廢料。純鋁廢料通常是指鋁含量超過99%的廢鋁，如各種廢舊電線、易拉罐、鋁箔等。變形鋁合金廢料是指采用擠壓、軋制、鍛造、沖壓等塑性變形工藝成型的鋁合金廢料，如廢舊建筑門窗、鋁模板、電子外殼、汽車電池箱體、防撞梁等。純鋁及變形鋁合金廢料的鋁含量較高，回收企業通常將該類廢鋁稱為廢熟鋁。鑄造鋁合金廢料是指采用重力鑄造、高壓壓鑄、低壓鑄造、擠壓鑄造等鑄造工藝成型的鋁鑄件廢料，如汽車鋁輪轂、發動機缸體、缸蓋、活塞、變速箱殼體等。鑄造鋁合金廢料主要是鋁硅合金廢料，也包括鋁鋅合金廢料、鋁銅合金廢料等，合金里面的鋁含量相對低些，回收企業通常將該類廢鋁稱為廢生鋁。

廢鋁按產生來源可分為生活廢鋁和工業廢鋁。生活廢鋁包括各種報廢后回收的鋁制家具、餐具以及電子電器、汽車、機電設備的鋁合金零部件等。工業廢鋁包括鋁制品生產過程中產生的各種工藝廢料，如鑄件冒口、廢鑄件，鋁材加工過程中產生的邊角料、殘次品、頭尾料、鋁屑等，這類廢鋁料除了粘有油污的鋁屑外，都是品質較好的廢鋁，利用價值極高，如能做好分類保管，可以直接回爐熔煉。鋁灰是鋁及鋁合金熔煉過程中產生的浮渣，含鋁量較低，但鋁灰的產生量很大，因而回收價值依然很大。

進口廢鋁包括單一品種廢鋁、廢鋁切片和混雜廢鋁。單一品種廢鋁是指進口時品種分類清晰的廢舊鋁合金零部件，如廢舊汽車輪轂、發動機殼體、門窗鋁型材等，這些都是優質的廢鋁。發達國家在處理各種廢舊汽車、家電和機電設備時，都是采用機械破碎方式將其破碎成碎片，然后進行機械化分選，分選出來的廢鋁就是廢鋁切片。廢鋁切片便于運輸，大部分廢鋁切片較為干凈，非鋁夾雜物少，鋁回收率高，其屬于優質廢鋁?；祀s廢鋁通常含有大量非鋁夾雜物，成分復雜，形狀各異，其屬于較為低檔的廢鋁。

目前，國內再生鋁企業的廢鋁來源廣泛且復雜，大部分都不同程度地被污染，夾裹各種非鋁物，如鋼鐵、橡膠、塑料、木材、石頭和泥土等，還覆蓋有油漆、涂料、紙張和油污等。因此，回爐熔煉前，要對廢鋁進行預處理，分選歸類越精細，預處理越好，廢鋁利用價值越高。

2 廢鋁的預處理技術

廢鋁預處理的目的是分離廢鋁中的非鋁夾雜物，清除表面覆蓋的油漆、涂料和水分等，獲得較為干凈、符合回爐條件的爐料。廢鋁預處理可以降低廢鋁燒損，提高回收率，減少成分調配難度和氣渣含量，獲得成分符合要求、潔凈度高的高品質再生鋁合金。目前，國內再生鋁企業的預處理技術整體比較簡單落后，主要依靠人工挑選，不僅效率低，而且難以獲得高質量的廢鋁。國外廢鋁的預處理已實現機械化、自動化，能夠高效去除廢鋁中的金屬和非金屬夾雜物，使廢鋁得到最經濟最合理的利用。常見的廢鋁預處理技術包括破碎、磁選、浮選和焙燒等。

2.1 破碎

大塊廢鋁首先要進行破碎處理，得到尺寸符合要求的廢鋁碎片，以便后續運輸和裝爐。破碎使廢鋁中的非鋁夾雜物脫落分離。長條狀廢鋁可以采用鱷口剪切機或鍘刀式剪切機切成塊，大截面廢鋁可以采用大噸位的液壓剪切機切割，廢舊汽車缸體、變速箱等鑄鋁件可以采用顎式破碎機、錘式破碎機、反擊式破碎機和旋回式破碎機等機械設備進行破碎[5]。廢舊電線電纜往往包覆橡膠、塑料等絕緣材料，可采用專用的電線電纜扒皮機、切割機械進行解體和切斷處理[6]。

2.2 磁選

鐵是鋁合金的有害雜質元素，在鋁合金中可形成粗大的針片狀Al3Fe 等富鐵相，成為鋁合金斷裂的裂紋源和裂紋擴展方向，損害鋁合金的強度、塑性、耐腐蝕性能和抗疲勞性能等。廢鋁往往夾帶鐵釘、鐵塊、鐵線等鐵質廢料，在回爐前應盡可能分離去掉。磁選除鐵是利用鐵質廢料有磁性的特性，利用磁選設備分離除掉廢鋁中夾雜的鐵質廢料。比較常見且容易實現的磁選除鐵工藝是傳送帶十字交叉法，傳送帶上廢鋁碎塊沿橫向運動，進入磁場后鐵質廢料被吸起進入縱向傳送帶，離開磁場后鐵質廢料自動落入收集箱，實現廢鋁的磁選除鐵[7]。

2.3 浮選

廢鋁往往攜帶橡膠、塑料、木頭和泥土等輕質非鋁廢料，若這些廢料帶入熔煉爐，燃燒后會產生大量有毒和刺激性的煙氣，污染環境，而且會增加鋁熔體的氣雜含量，增大除氣除雜難度，降低再生鋁品質。對于輕質非鋁廢料，可以采用浮選法，以水為介質，通過螺旋推進器將廢鋁送入水中，橡膠、塑料、木頭等在水中浮起后被帶走，泥土則溶解于水中進入沉降池，污水經沉降后可循環使用[7]。

2.4 選礦法

廢鋁往往攜帶銅、鋅、鉛、錫等有色金屬廢料，這些廢料進入熔煉爐，會導致再生鋁成分不達標。除掉這些重金屬廢料的一種方法是拋物選礦法[8]，該方法利用各種體積基本相同的物體在受到相同力拋出時落點不同的原理，將廢鋁中的有色金屬廢料分離出來。根據這種原理制造的設備已在國外得到應用，但造價昂貴，國內還處于研究階段。另一種方法是重介質選礦法[8]，該方法利用鋁密度比重金屬密度小的原理，使廢鋁浮在重介質上面，而重金屬廢料沉降在底部，達到分離的目的。該方法需要找到一種密度大于鋁又小于重金屬的重介質流體，工作時重介質流體往復流動，將銅、鋅、鉛、錫等重金屬廢料從廢鋁中分離出來。

2.5 焙燒法

多數廢鋁的表面都覆蓋有油漆、涂料、保護膜、涂層和油污等，如廢舊建筑門窗鋁型材表面的油漆，廢舊易拉罐、電子電器等表面的保護涂層等，這些覆蓋物的表面積大，如果不處理掉而直接回爐熔煉，會增加鋁的氧化燒損和鋁熔體的氣渣含量，增大熔體凈化難度，還會產生大量煙塵，污染環境。廢鋁表面的覆蓋物去除一般采用回轉窯焙燒法，將廢鋁裝入以一定速度旋轉的回轉窯內，利用熔鋁爐的熱風和覆蓋物碳化過程產生的熱量，使廢鋁表面的油漆、涂料、保護膜等逐漸碳化，回轉窯的旋轉使得廢鋁相互碰撞，使碳化物從廢鋁表面振動脫落[7]。

3 廢鋁熔煉再生技術

廢鋁熔煉再生的常規工藝流程為：配料→裝爐→熔化→扒鐵→攪拌→取樣→成分檢測→成分調整→爐內噴吹精煉→扒渣→靜置→爐外在線細化變質→在線除氣過濾→鑄造。為了獲得高品質的再生鋁合金，必須做好廢鋁的配料、熔化、成分檢測與調整、精煉和凈化處理等關鍵工序。

3.1 配料

配料是否合理直接關系到能否生產出成分和質量合格的再生鋁合金，一般應當遵循以下原則：以生產出成分和質量合格的產品為出發點，結合工廠庫存的廢鋁和其他原料，優化爐料配比。對于合金成分范圍要求窄、雜質元素含量要求低的產品，應該以純鋁錠為主，合理配料。對于合金成分范圍要求寬、雜質元素含量控制不嚴格的產品，可以廢鋁料為主進行配料，當成分出現偏差時，可以添加純鋁錠對成分進行沖淡或添加中間合金對合金成分進行補充。

3.2 熔化與扒鐵

目前，國內再生鋁企業主要采用蓄熱式燃氣反射爐熔煉廢鋁，余熱得到充分利用，熱效率高，降低了能耗，缺點是火焰與廢鋁直接接觸，廢鋁氧化燒損較為嚴重[9]。雙室爐將爐膛分為加熱室和熔化室，廢鋁的加熱和熔化都避開燃燒的火焰，可以減少廢鋁燒損，提高回收率[10]。為了獲得高品質的再生鋁合金液，避免鋁合金液發生二次污染，熔化廢鋁時應當注意3 點。一是合理選擇加熱熔化溫度，避免廢鋁過度氧化燒損，提高鋁回收率。二是廢鋁熔化后，由于鐵、銅等金屬廢料的熔點高，此時尚未熔化，應及時將鐵、銅廢料從鋁合金液中扒出（俗稱扒鐵），扒得越及時，扒得也越干凈。三是與鋁合金液接觸的攪拌、扒鐵等操作工具應當烘干并涂涂料，避免帶入水和滲鐵，造成對鋁合金液的二次污染。

3.3 凈化處理

氣孔和夾渣是鋁合金的常見缺陷，這些缺陷會割裂鋁基體，成為鋁合金斷裂的裂紋源和腐蝕起點，進而降低鋁合金的強度、塑性、耐腐蝕性能和抗疲勞性能等。再生鋁合金液的氣渣含量通常比較高，必須做好鋁合金液的凈化處理，確保再生鋁合金的氣渣含量達到客戶的要求。常用的凈化方法是爐內噴吹精煉，即采用惰性氣體氮氣或氬氣作為載體，將粉末精煉劑噴吹至鋁合金液中，使精煉劑與鋁合金液充分接觸反應，捕獲帶走鋁合金液中的氫氣和夾雜物[11]。對于高品質再生鋁合金，除了爐內噴吹精煉外，還需要采用爐外在線除氣過濾處理，即將鋁合金液依次流過設置在流槽上的除氣箱和過濾箱，對鋁合金液進行深度除氣除雜。

3.4 細化變質

細化變質是提高再生鋁合金力學性能、耐腐蝕性能的重要手段。細化再生鋁合金的α-Al 晶粒，使α-Al 晶粒從粗大的樹枝晶轉變成細小均勻的等軸晶或球形晶粒，可同時提高再生鋁合金的強度和塑性。細化方法是在鑄造前的鋁合金液中加入晶粒細化劑，如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-C 等。對于品質要求高的再生鋁合金，應當添加足量的精煉劑，選用高潔凈的晶粒細化劑，避免對再生鋁合金造成二次污染。對于再生鋁硅合金，還應當添加Si、Fe 相變質劑，使Si 相和富Fe 相從粗大的針片狀細化變質成細小的顆粒狀或短纖維狀，消除粗大針片狀Si 相和富Fe相對再生鋁合金性能的損害，提高再生鋁合金的性能。

4 結論

再生鋁產業是國家鼓勵發展的循環經濟產業，是我國鋁工業的重要發展方向。我國再生鋁產業已取得巨大成就，但再生鋁產業依然存在不足。因此，要加強廢鋁預處理和熔煉再生技術研發，加大工藝改造力度，淘汰落后的工藝和設備，提高我國再生鋁質量，實現再生鋁產業的高質量發展。