胡妙關(guān)

（江蘇海光金屬有限公司，江蘇 宿遷 223700 ）

近二十年來(lái)，我國(guó)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(guó)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(wèn)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(jìn)行一系列的加工熔化處理，最后經(jīng)過(guò)提煉生產(chǎn)出鑄造鋁錠；而傳統(tǒng)制鋁是通過(guò)開(kāi)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(duì)氧化鋁進(jìn)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(diǎn)優(yōu)勢(shì)，①再生鋁原料獲取成本更低，回收鋁廢料價(jià)格相對(duì)低，而開(kāi)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(shí)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(dá)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(wàn)噸，與眾多發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)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(dá)100%，美國(guó)為80%，歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家再生鋁占比也較高，這就意味著我國(guó)需要耗費(fèi)大量的能量資源去開(kāi)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(fèi)方面，我國(guó)也是全球鋁消費(fèi)大國(guó)，并且進(jìn)十年來(lái)鋁消費(fèi)呈連續(xù)增長(zhǎng)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(duì)鋁的需求日益增加，我國(guó)對(duì)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(rèn)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(guò)回爐熔化，之后再進(jìn)過(guò)進(jìn)行提煉處理等工藝才能再生使用。目前，在整個(gè)廢鋁熔煉工藝中，控制鋁錠性能品質(zhì)有四個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)。

1.1 廢鋁回收

廢鋁是再生鋁原料的來(lái)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(duì)鋁成分的含量、雜質(zhì)含量都要進(jìn)行不同程度的分級(jí)。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)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(guó)鋁業(yè)、阿萊利斯等企業(yè)，其對(duì)廢鋁回收要求有著專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)；針對(duì)特殊行業(yè)西方國(guó)家有著專門的回收體系，例如汽車廢鋁的回收率達(dá)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(guò)程。此外，政府部門對(duì)廢鋁再生相關(guān)問(wèn)題十分重視，頒布了相關(guān)政策和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范和引導(dǎo)，并對(duì)民眾進(jìn)行宣傳，鼓勵(lì)引導(dǎo)民眾回收廢鋁。而國(guó)內(nèi)尚未形成完整的回收體系，廢鋁原料主要依靠進(jìn)口。

1.2 預(yù)處理

經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiǎn)單，國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，國(guó)內(nèi)多為人工分揀方式；除雜則是預(yù)處理的難點(diǎn)，需要進(jìn)行多個(gè)流程，對(duì)于不同雜質(zhì)有不同的方法。例如對(duì)于有機(jī)雜質(zhì)，可以采用干濕法、脫漆爐去除廢鋁上的漆膜；對(duì)于塑料類雜質(zhì)，可以根據(jù)其特點(diǎn)采用浮選法，塑料會(huì)漂浮在介質(zhì)溶液從而方便去除；對(duì)于有特點(diǎn)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(lái)分離。近年來(lái)國(guó)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(hào)進(jìn)行更加細(xì)致地分類。

1.3 廢鋁熔煉

經(jīng)過(guò)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(jìn)行熔煉以獲得鋁液。熔煉過(guò)程還要根據(jù)不同鋁型進(jìn)行工藝調(diào)整，以降低熔煉過(guò)程中的能耗。一般針對(duì)熔化工藝和容練設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，熔煉工藝可以通過(guò)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(shí)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(diǎn)回收利用，提高燃料燃燒率，利用回收余熱對(duì)鋁料預(yù)熱，可以減少熔煉時(shí)間，提高熔煉效率。除此之外，對(duì)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(jìn)行進(jìn)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(diǎn)是精煉效果好、純度高，缺點(diǎn)是在使用過(guò)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?dú)獾龋粡?fù)合精煉技術(shù)即結(jié)合精煉劑和噴吹法，達(dá)到兩種除雜方法的優(yōu)勢(shì)。此外，由于稀土具有良好的凈化特性，近年來(lái)，稀土也常用在對(duì)鋁液熔體精煉過(guò)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(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國(guó)鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，建國(guó)以來(lái)以發(fā)展鋼鐵產(chǎn)業(yè)為主，20世紀(jì)70年代我國(guó)才開(kāi)始發(fā)展再生鋁，2020年我國(guó)再生鋁產(chǎn)量達(dá)到了715萬(wàn)噸，位列世界第二，再生鋁已經(jīng)成為中國(guó)鋁工業(yè)的重要組成部分。雖然我國(guó)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(duì)于性能要求高的高端領(lǐng)域極少使用國(guó)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?jiān)约把趸s質(zhì)，從而降低了鑄鋁的質(zhì)量。此外我國(guó)再生鋁熔煉設(shè)備不夠先進(jìn)，對(duì)于一些特殊的含鋁合金，難以精確提煉出金屬雜質(zhì)。國(guó)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(guó)再生鋁行業(yè)特點(diǎn)

結(jié)合我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，可以得到如下特點(diǎn)。①再生鋁利用率低，我國(guó)在生理通常用于低端產(chǎn)品，而對(duì)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(guó)再生鋁在低端領(lǐng)域產(chǎn)能過(guò)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(jí)使用，鋁材根據(jù)性能指標(biāo)可分為多個(gè)等級(jí)，例如制作易拉罐的鋁材就屬于高檔鋁材。我國(guó)廢鋁罐回收率超過(guò)97%，是廢鋁資源的一大版塊，但在熔煉時(shí)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(fèi)。③高雜質(zhì)低性能，當(dāng)前我國(guó)再生鋁產(chǎn)品雜質(zhì)含量較高，熔煉技術(shù)不夠先進(jìn)，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(wèn)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(jìn)。

（1）預(yù)處理技術(shù)。我國(guó)分選技術(shù)落后，在多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化分選，而我國(guó)仍然以人工分選為主，分選工人憑借自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分揀與拆解，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)短期成本低，大多數(shù)企業(yè)不愿花費(fèi)高昂資金用來(lái)引進(jìn)先進(jìn)分選設(shè)備。但實(shí)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(fù)荷大，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)地分揀，往往只進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生大量廢氣，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。此外，許多企業(yè)缺乏廢鋁保級(jí)意識(shí)，不對(duì)廢鋁進(jìn)行分級(jí)，出現(xiàn)不同品質(zhì)和類型的廢鋁同類對(duì)待，導(dǎo)致廢鋁降級(jí)，造成資源浪費(fèi)，并且分選不合格會(huì)對(duì)后續(xù)工藝造成影響。

（2）熔體凈化技術(shù)。我國(guó)企業(yè)對(duì)雜質(zhì)凈化技術(shù)研究不夠深入，缺乏實(shí)驗(yàn)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(gè)方面，單純依靠工人經(jīng)驗(yàn)難以選擇合適的精煉劑。在精煉劑方面，我國(guó)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(lái)精煉熔體，這些精煉劑含有的鹵族元素在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生有害氣體。有些精煉劑只針對(duì)個(gè)別雜質(zhì)，還需要對(duì)數(shù)種精煉劑混合調(diào)制才能實(shí)現(xiàn)凈化目的，而熔煉劑種類越多則副作用越大，對(duì)鋁液熔體再次產(chǎn)生污染。國(guó)內(nèi)對(duì)精煉劑的調(diào)制研究較少。國(guó)外有SNIF法等先進(jìn)工藝，凈化效果好，但因其成本過(guò)高，很少有國(guó)內(nèi)企業(yè)使用。

（3）熔煉設(shè)備方面。國(guó)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(diǎn)，特別在熔煉碎鋁屑或薄鋁時(shí)，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(jìn)，熱效率較低，不超過(guò)50%，一半熱量隨爐體、煙氣損失，導(dǎo)致熱能的浪費(fèi)嚴(yán)重；另一方面由于燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。數(shù)據(jù)表明，按照國(guó)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(guó)外技術(shù)所需燃料為國(guó)內(nèi)的一半。國(guó)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(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

3 結(jié)語(yǔ)

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(shì)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也是未來(lái)制鋁行業(yè)的發(fā)展方向。但由于我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)起步較晚，在熔煉工藝方面相對(duì)落后，導(dǎo)致高品質(zhì)再生鋁發(fā)展困難。我國(guó)企業(yè)研究人員還需加大對(duì)再生鋁熔煉技術(shù)的研發(fā)投入，促進(jìn)我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。