一、前言
鋁合金以其優(yōu)異的性能被廣泛運用于國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)，目前鋁硅合金的生產(chǎn)主要有兩種方法：(一)原生鋁熔煉配制合金；(二)廢舊鋁合金回收再利用。廢鋁再生利用能耗低，能耗只有原生鋁生產(chǎn)的5%[1]，回收實得率高，可以多次回收利用。而且再生鋁生產(chǎn)投資小，收益期短，比原生鋁配制生產(chǎn)鋁硅合金具有很大的成本和能效優(yōu)勢。近十幾年來，我國鋁再生行業(yè)發(fā)展迅猛，其中僅舊易拉罐回收利用率達(dá)60％以上，2001年我國廢舊鋁合金凈進(jìn)口量達(dá)到360.019萬噸[2]。但從總體來看，我國鋁回收技術(shù)落后，分選、配料和熔煉工藝簡單，很多企業(yè)成分檢測和質(zhì)量控制手段尚不完善，有的企業(yè)僅以鋁錠表面質(zhì)量與斷口形貌來判斷產(chǎn)品是否合格，生產(chǎn)冶金質(zhì)量不穩(wěn)定，相當(dāng)部分企業(yè)只能生產(chǎn)幾種低附加值的鑄造鋁合金，如副牌ZL102等。本文從我國廢鋁回收再生產(chǎn)現(xiàn)狀出發(fā)，對我國鋁再生過程中的冶金質(zhì)量問題和現(xiàn)狀作了系統(tǒng)分析，對質(zhì)量狀況改善途徑進(jìn)行了討論，提出了建議。
二、鋁再生與環(huán)保
隨著人們環(huán)保意識的加強，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提出了綠色化生產(chǎn)呼吁[3]，要求材料在提煉、加工、制造、使用、回收再生過程中排放的氣體、液體、固體廢棄物對人類及環(huán)境無害，或達(dá)到容許的排放標(biāo)準(zhǔn)。廢鋁再生比原鋁生產(chǎn)，不僅大大降低能耗，而且消除和減少了電解生產(chǎn)鋁過程中的有害氣體和廢渣的排放。因此，廢鋁再生提高了社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，值得推廣。
鋁合金的再生有利于保護(hù)環(huán)境，增加鋁資源的利用率。鋁再生時，為了減少再生過程中的污染，實現(xiàn)再生生產(chǎn)的綠色化生產(chǎn)原則，上海大學(xué)在生產(chǎn)中采用稀土復(fù)合精變劑處理技術(shù)[4]大量減少了煙氣中的有毒物質(zhì)，煙氣通過二級噴淋式吸附塔串接除塵，無需作進(jìn)一步的處理即可達(dá)到煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。同時，由于稀土對再生鋁的變質(zhì)與凈化作用，大大提高了再生鋁的冶金質(zhì)量及其穩(wěn)定性，降低了廢品率。
三、我國再生鋁生產(chǎn)工藝流程
常規(guī)優(yōu)質(zhì)再生鋁工藝流程如圖1所示。從圖中可以看到，再生鋁生產(chǎn)工藝流程中有三個中心環(huán)節(jié)：預(yù)處理工序、配料熔化工序、凈化變質(zhì)工序，這三個工序緊緊地與獲得再生鋁的冶金質(zhì)量聯(lián)系在一起。要獲得優(yōu)質(zhì)再生鋁就必須圍繞著這三個中心環(huán)節(jié)，把握住影響冶金質(zhì)量的基本要素。目前來看，我國的生產(chǎn)企業(yè)主要是中小型企業(yè)，隨著人們質(zhì)量意識的增強，這三個環(huán)節(jié)也越來越多地得到人們的重視，當(dāng)然還應(yīng)看到還有相當(dāng)部分企業(yè)對此認(rèn)識尚浮淺，為此，我們將主要從這三個中心環(huán)節(jié)著手逐個分析我國再生鋁的冶金質(zhì)量。
四、我國再生鋁硅冶金質(zhì)量現(xiàn)狀分析
1．預(yù)處理
預(yù)處理的目的是使廢鋁按合金成分分類、去水、去油污油漆、去其他金屬雜質(zhì)。一般的工藝過程是：(一)大件和切片，按成分分類→去除其它金屬及嵌件→烘燒去油污油漆；(二)粉狀物與廢碎料，分類→干燥去水→磁選、風(fēng)選、拋物分選[5]→焙燒；(三)易拉罐，切碎(→焙燒除漆) →壓塊。發(fā)達(dá)國家在分選廢料時使用專用設(shè)備，如采用重力分選和磁選等。我國絕大多數(shù)企業(yè)基本上采用人工分選，先把易分選已知成分的大件和切片單獨堆放，然后再將碎廢鋁進(jìn)行人工分選?？梢钥吹?，有些小型企業(yè)在分選時，并沒有考慮到回收廢鋁的合金成分組成，這樣實際上就沒有把好冶金質(zhì)量的第一關(guān)，不僅會降低再生鋁的品位，而且也浪費了資源。細(xì)小粉塊狀的廢鋁，由于不能很好的進(jìn)行分選，成分組成復(fù)雜，不加處理就會在一定程度上影響了成品的化學(xué)成分，甚至導(dǎo)致整爐報廢，因此在一般的情況下謹(jǐn)慎使用，最好是在并塊并化驗成分后使用。
廢鋁原材料的表面處理尤其是對含有油污和油漆的廢鋁(如易拉罐)的除污，是改善再生鋁冶金質(zhì)量的有效措施之一。我國大型企業(yè)在處理油污與油漆時常采用預(yù)熱烘爐中實現(xiàn)除漆、除油及除水，而大多數(shù)再生小企業(yè)由于受到自身條件的限制，并沒有除去廢件表面的油污油漆的處理工序，大都是直接投爐，這既嚴(yán)重污染環(huán)境，又容易帶氫和雜質(zhì)進(jìn)入熔池影響鋁錠冶金質(zhì)量。
預(yù)處理工序是再生鋁生產(chǎn)流程的第一環(huán)節(jié)，把住這個入門第一關(guān)的質(zhì)量對再生鋁的品位及冶金質(zhì)量至關(guān)重要。預(yù)處理時嚴(yán)控水分，防止砂土、氧化夾雜、有機物質(zhì)的帶入，把握住廢料的歸類分選，并加大投入，提高預(yù)處理水平，實現(xiàn)預(yù)處理的規(guī)范化是當(dāng)前我國再生鋁生產(chǎn)所需解決的問題之一。
2．配料熔化
2．1配料
配料指按生產(chǎn)產(chǎn)品的成分要求，配制爐料。配料直接關(guān)系到能否生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。配料應(yīng)遵循以下原則：以生產(chǎn)合格的產(chǎn)品為出發(fā)點，密切聯(lián)系本廠的廢鋁和原料的存貨，在已知庫存原料及廢料成分的前提下優(yōu)化配制材料的比例。對合金成分范圍要求窄的產(chǎn)品，我國企業(yè)通常的做法是純鋁錠+合金化原料(中間合金)+成分已知的廢鋁；對成分范圍要求寬的產(chǎn)品，通常采用成分已知的廢鋁+合金化原料(中間合金)，在成分出現(xiàn)偏差時加適量的純鋁錠及中間合金。由于不同的合金元素合金化的方法有所不同，合金化硅時直接向合金中加入結(jié)晶硅；合金化鐵和銅時，為了減少成本一般直接加鐵片、鐵絲或紫銅絲，他們來源廣泛成本低廉，但它們的熔入時間長，熔入溫度高，增加了能耗和鋁液的燒損。并由于吸收率和加工工藝相關(guān)，往往會導(dǎo)致Fe、Cu含量的波動，因此在對成分控制較嚴(yán)的合金錠生產(chǎn)中往往采用加入A1-Fe和A1-Cu中間合金的方法。實際上，不管是采用中間合金合金化，還是直接使用金屬原料，不應(yīng)只注重眼前利益，要根據(jù)成本效益比來綜合評價，確定配制什么料?？傊?，配料時，避免配料錯誤、把住原材料質(zhì)量、明確廢鋁成分，就確保了再生鋁化學(xué)成分的第一關(guān)。
2．2熔化
熔化是廢鋁和原料從固態(tài)向液態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，熔化時熔體與爐內(nèi)氣氛、爐體壁和其它固體相接觸，會導(dǎo)致某些物質(zhì)的熔入或滲入熔體，改變?nèi)垠w的成分，進(jìn)而影響再生鋁的冶金質(zhì)量。我國再生鋁企業(yè)絕大多數(shù)使用熔化成本低的反射爐熔煉，少數(shù)大中型企業(yè)因特殊需求也配置一些電爐和感應(yīng)爐。反射爐用燃油或煤氣作為燃料，成本比電爐低，但在冶金質(zhì)量的控制方面不如電爐。
在熔化工序中，熔體二次污染是影響再生鋁合金冶金質(zhì)量的主要原因，因此在生產(chǎn)操作過程中應(yīng)注意以下幾點：首先，干燥爐料、精煉劑、精變劑和所有操作工具，避免帶入水。其次，爐料盡可能除去砂子、泥土和其他有害物，生產(chǎn)用的鐵工具要涂涂料，避免直接與鋁液接觸，導(dǎo)致滲鐵(鐵是嚴(yán)重影響再生鋁冶金質(zhì)量的元素之一)。最后，選擇最佳的熔煉溫度、澆注溫度和澆注時間，盡量避免鋁液升溫過高，保溫時間過長。必要時，在加料前(如在換金屬品種和牌號時)還應(yīng)用純鋁或相應(yīng)合金洗爐，我國有些企業(yè)并沒有注意到洗爐對冶金質(zhì)量影響的重要性。
在確保了冶金質(zhì)量的前提后，另一個需要注意的問題是熔煉成本問題，熔化燃油的消耗和鋁液的燒損均直接影響成本。在實際生產(chǎn)過程中，通過對爐料預(yù)熱，可有效降低能耗10％-15％，選用非熔劑類精煉變質(zhì)劑(如稀土復(fù)合精變劑)可以降低燒損[4]。通過以上的措施可以使再生產(chǎn)成本降低，同時也能比較好的保證冶金質(zhì)量。
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3．凈化與變質(zhì)
3．1凈化
再生鋁錠的含氣量及雜質(zhì)含量直接影響合金鋁的力學(xué)性能以及工藝性能。凈化工序的主要任務(wù)是保證再生鋁錠的含氣量和雜質(zhì)含量達(dá)到用戶標(biāo)準(zhǔn)，確保再生鋁錠的使用性能。精煉凈化常采用大家熟知的浮游法[6]。目前我國企業(yè)使用的除渣劑、精煉劑一般以氯鹽、硝酸鹽為主的精煉劑，這類精煉劑在處理過程中與鋁發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生諸如AlCl3、Cl2等有害氣體，這類氣體對環(huán)境設(shè)備及人身健康均帶來損害。在當(dāng)前國家大力提倡可持續(xù)發(fā)展特別強調(diào)環(huán)保的形勢下，如何尋找綠色無毒無污染的替代品已是我國鋁合金熔煉企業(yè)迫切需要解決的問題。采用N2或Ar精煉雖無環(huán)境問題，但效果欠佳。國外一些企業(yè)采用動態(tài)真空除氣法、SNIF法、Alpur法、MINT法[7]雖均可取得成效，但這些方法通常適用于大型連續(xù)鑄造的熔爐而不適用于我國90％以上用反射爐生產(chǎn)再生鋁的企業(yè)。上海大學(xué)近年發(fā)明的復(fù)合精變方法就是針對我國鋁生產(chǎn)企業(yè)用爐特點而研發(fā)的無公害綠色精煉變質(zhì)方法[4]，它不僅解決了再生鋁冶金質(zhì)量問題，而且還確保周邊環(huán)境質(zhì)量，是一種值得推廣運用的技術(shù)。澆注時，在鋁錠澆注口前安置過濾網(wǎng)或陶瓷過濾片過慮鋁液，進(jìn)一步凈化鋁液減少渣和氧化皮帶來的產(chǎn)品質(zhì)量和皺皮問題，該法在我國再生企業(yè)中運用的相當(dāng)廣泛。
3．2變質(zhì)
鋁硅合金的變質(zhì)處理是為了改善合金中硅的形態(tài)，從而改善鋁合金力學(xué)性能的工序。目前我國常用的變質(zhì)劑有以下幾種：(一)鈉鹽變質(zhì)劑，屬于短效變質(zhì)劑，變質(zhì)效果好變質(zhì)失效也快。雖然鈉鹽能起到變質(zhì)效果，但由于它破壞了熔液表面致密的氧化膜，導(dǎo)致鋁液重新吸氣氧化，惡化冶金質(zhì)量，尤其是對ZLl02。因此生產(chǎn)這類共晶鋁合金錠時不主張使用短效變質(zhì)劑[8]。(二)普通長效變質(zhì)劑，(1)鍶(Sr)，常用A1-10％Sr和A1-14％Si-10％Sr中間合金。變質(zhì)效果可保持6～8小時，它的孕育其較長，孕育時間為40分鐘，而且相對價格高，來源困難，限制了它在鋁再生中的應(yīng)用[6]。另外，鍶也會使熔液表面氧化膜疏松，使針孔度加重，為了確保冶金質(zhì)量中針孔度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，通常要采用必要的除氣措施，不單獨使用該類變質(zhì)劑。(2)鋇、碲、銻、鋇雖對共晶型Al-Si合金具有長效變質(zhì)效果，但不少試驗證明，這些元素的變質(zhì)效果受到冷卻速率的很大影響，并且精煉劑、除渣劑會強烈降低鋇等元素的變質(zhì)效果[6]。因而在再生鋁生產(chǎn)中很少應(yīng)用。(3)稀土類變質(zhì)劑，稀土不僅能對硅相有變質(zhì)作用，而且還在細(xì)化a—A1方面有明顯的效果，實踐還表明經(jīng)稀土變質(zhì)后具有變質(zhì)效果的遺傳性[4／9]?？梢钥闯觯鸵陨先愖冑|(zhì)劑相比而言，稀土變質(zhì)劑變質(zhì)效果好，并有一定的凈化作用，還有利于環(huán)保，效果穩(wěn)定，成本合算，是再生鋁生產(chǎn)優(yōu)先選用的變質(zhì)劑。
3．3爐前冶金質(zhì)量控制
爐前冶金質(zhì)量控制是確保生產(chǎn)合格鋁錠的極為重要的一個環(huán)節(jié)。通過爐前分析可以避免發(fā)生重大的冶金質(zhì)量事故，挽回一些損失，降低成本。爐前質(zhì)量檢測和控制通常采用兩種手段：化學(xué)分析法，光譜分析法。前者分析精度高，但其分析時間長，往往跟不上流水線生產(chǎn)的節(jié)拍，而且還受到操作者的水平和分析環(huán)境的影響。后者，分析速度快捷，使用方便，雖說設(shè)備價格昂貴些，但仍運用廣泛。在檢測產(chǎn)品成分超標(biāo)和不達(dá)標(biāo)時，必須進(jìn)行成分調(diào)整。在澆注前，除了要保證化學(xué)成分外，還有檢查針孔度，通常采用宏觀腐蝕劑腐蝕后金相統(tǒng)計，有些合資企業(yè)配置了熔鋁氫氣分析儀進(jìn)行爐前質(zhì)量控制。當(dāng)含氣量超標(biāo)時，通入N2、Ar除氣直至合格。
五、結(jié)束語
廢鋁再生是一個利國利民的事業(yè)，也會給企業(yè)帶來豐厚的利潤，然而必須看到，目前我國再生鋁企業(yè)生產(chǎn)中存在的冶金質(zhì)量問題正在直接影響著我國再生鋁向縱深方向發(fā)展。作者對我國再生鋁生產(chǎn)工藝流程作了詳細(xì)調(diào)研，具體分析了鋁再生過程中的預(yù)處理、配料熔化、凈化變質(zhì)三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)對我國再生鋁合金冶金質(zhì)量的影響，提出了改善冶金質(zhì)量的相關(guān)建議和方案。值得提及的是在三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，凈化變質(zhì)環(huán)節(jié)很大程度上制約了我國企業(yè)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。因此，我們應(yīng)加大技改和新工藝的投入，突破技術(shù)上的頸瓶，淘汰落后工藝和設(shè)備，促進(jìn)我國再生鋁行業(yè)由現(xiàn)在的數(shù)量擴(kuò)張型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變。相信在不久的將來我國的再生鋁行業(yè)將會出現(xiàn)環(huán)保與效益雙贏的局面。
