我國(guó)再生鋁工藝流程及硅合金冶金質(zhì)量現(xiàn)狀分析

1、我國(guó)再生鋁工藝流程及硅合金冶金質(zhì)量現(xiàn)狀分析一、前言 鋁合金以其優(yōu)異的性能被廣泛運(yùn)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(shí)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(shì)。近十幾年來(lái)，我國(guó)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(guó)廢舊鋁合金凈進(jìn)口量達(dá)到360.019萬(wàn)噸2。但從總體來(lái)看，我國(guó)鋁回收技術(shù)落后，分選、配料和熔煉工藝簡(jiǎn)單，很多企業(yè)成分檢測(cè)和質(zhì)量控制手段尚不完善，有的企

2、業(yè)僅以鋁錠表面質(zhì)量與斷口形貌來(lái)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(guó)廢鋁回收再生產(chǎn)現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)我國(guó)鋁再生過(guò)程中的冶金質(zhì)量問(wèn)題和現(xiàn)狀作了系統(tǒng)分析，對(duì)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(shí)的加強(qiáng)，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(guò)程中排放的氣體、液體、固體廢棄物對(duì)人類(lèi)及環(huán)境無(wú)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(guò)程中的有害氣體和廢渣的排放。因此，廢鋁再生提高了社會(huì)經(jīng)

3、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(shí)，為了減少再生過(guò)程中的污染，實(shí)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(guò)二級(jí)噴淋式吸附塔串接除塵，無(wú)需作進(jìn)一步的處理即可達(dá)到煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，由于稀土對(duì)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(guó)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(gè)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(gè)工序緊緊地與獲得再生鋁的冶金質(zhì)

4、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(gè)中心環(huán)節(jié)，把握住影響冶金質(zhì)量的基本要素。目前來(lái)看，我國(guó)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(shí)的增強(qiáng)，這三個(gè)環(huán)節(jié)也越來(lái)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(duì)此認(rèn)識(shí)尚浮淺，為此，我們將主要從這三個(gè)中心環(huán)節(jié)著手逐個(gè)分析我國(guó)再生鋁的冶金質(zhì)量。 四、我國(guó)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(lèi)、去水、去油污油漆、去其他金屬雜質(zhì)。一般的工藝過(guò)程是：(一)大件和切片，按成分分類(lèi)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(lèi)干燥去水磁選、風(fēng)選、拋物分選5焙燒；(三)易拉

5、罐，切碎(焙燒除漆) 壓塊。發(fā)達(dá)國(guó)家在分選廢料時(shí)使用專(zhuān)用設(shè)備，如采用重力分選和磁選等。我國(guó)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(dú)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(shí)，并沒(méi)有考慮到回收廢鋁的合金成分組成，這樣實(shí)際上就沒(méi)有把好冶金質(zhì)量的第一關(guān)，不僅會(huì)降低再生鋁的品位，而且也浪費(fèi)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(huì)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(bào)廢，因此在一般的情況下謹(jǐn)慎使用，最好是在并塊并化驗(yàn)成分后使用。 廢鋁原材料的表面處理尤其是對(duì)含有油污和油漆的廢鋁(如易拉罐)的

6、除污，是改善再生鋁冶金質(zhì)量的有效措施之一。我國(guó)大型企業(yè)在處理油污與油漆時(shí)常采用預(yù)熱烘爐中實(shí)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?xiàng)l件的限制，并沒(méi)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(gè)入門(mén)第一關(guān)的質(zhì)量對(duì)再生鋁的品位及冶金質(zhì)量至關(guān)重要。預(yù)處理時(shí)嚴(yán)控水分，防止砂土、氧化夾雜、有機(jī)物質(zhì)的帶入，把握住廢料的歸類(lèi)分選，并加大投入，提高預(yù)處理水平，實(shí)現(xiàn)預(yù)處理的規(guī)范化是當(dāng)前我國(guó)再生鋁生產(chǎn)所需解決的問(wèn)題之一。 2配料熔化 21配料 配料指按

7、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(diǎn)，密切聯(lián)系本廠(chǎng)的廢鋁和原料的存貨，在已知庫(kù)存原料及廢料成分的前提下優(yōu)化配制材料的比例。對(duì)合金成分范圍要求窄的產(chǎn)品，我國(guó)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(duì)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(shí)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(shí)直接向合金中加入結(jié)晶硅；合金化鐵和銅時(shí)，為了減少成本一般直接加鐵片、鐵絲或紫銅絲，他們來(lái)源廣泛成本低廉，但它們的熔入時(shí)間長(zhǎng)，熔入溫度高，增加了能

8、耗和鋁液的燒損。并由于吸收率和加工工藝相關(guān)，往往會(huì)導(dǎo)致Fe、Cu含量的波動(dòng)，因此在對(duì)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(shí)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(lái)綜合評(píng)價(jià)，確定配制什么料?？傊?，配料時(shí)，避免配料錯(cuò)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)。 22熔化 熔化是廢鋁和原料從固態(tài)向液態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，熔化時(shí)熔體與爐內(nèi)氣氛、爐體壁和其它固體相接觸，會(huì)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(guó)再生鋁企業(yè)絕大多數(shù)使用熔化成本低的

9、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(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：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(shí)間，盡量避免鋁液升溫過(guò)高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。必要時(shí)，在加料前(如在換金屬品種和牌號(hào)時(shí))還應(yīng)用純鋁或相應(yīng)合金洗爐，我國(guó)有些企

10、業(yè)并沒(méi)有注意到洗爐對(duì)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(gè)需要注意的問(wèn)題是熔煉成本問(wèn)題，熔化燃油的消耗和鋁液的燒損均直接影響成本。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)爐料預(yù)熱，可有效降低能耗10-15，選用非熔劑類(lèi)精煉變質(zhì)劑(如稀土復(fù)合精變劑)可以降低燒損4。通過(guò)以上的措施可以使再生產(chǎn)成本降低，同時(shí)也能比較好的保證冶金質(zhì)量。 3凈化與變質(zhì) 31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(hù)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(guó)企業(yè)使用

11、的除渣劑、精煉劑一般以氯鹽、硝酸鹽為主的精煉劑，這類(lèi)精煉劑在處理過(guò)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(lèi)氣體對(duì)環(huán)境設(shè)備及人身健康均帶來(lái)?yè)p害。在當(dāng)前國(guó)家大力提倡可持續(xù)發(fā)展特別強(qiáng)調(diào)環(huán)保的形勢(shì)下，如何尋找綠色無(wú)毒無(wú)污染的替代品已是我國(guó)鋁合金熔煉企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。采用N2或Ar精煉雖無(wú)環(huán)境問(wèn)題，但效果欠佳。國(guó)外一些企業(yè)采用動(dòng)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(guó)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(duì)我國(guó)鋁生產(chǎn)企業(yè)用爐特點(diǎn)而研發(fā)的無(wú)公害綠色精煉變質(zhì)方法4，它不僅

12、解決了再生鋁冶金質(zhì)量問(wèn)題，而且還確保周邊環(huán)境質(zhì)量，是一種值得推廣運(yùn)用的技術(shù)。澆注時(shí)，在鋁錠澆注口前安置過(guò)濾網(wǎng)或陶瓷過(guò)濾片過(guò)慮鋁液，進(jìn)一步凈化鋁液減少渣和氧化皮帶來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量和皺皮問(wèn)題，該法在我國(guó)再生企業(yè)中運(yùn)用的相當(dāng)廣泛。 32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(guó)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(duì)ZLl02。因此生產(chǎn)這類(lèi)共晶鋁合金錠時(shí)不主張使用短效變質(zhì)劑8。(二)普通長(zhǎng)效變質(zhì)

13、劑，(1)鍶(Sr)，常用A1-10Sr和A1-14Si-10Sr中間合金。變質(zhì)效果可保持68小時(shí)，它的孕育其較長(zhǎng)，孕育時(shí)間為40分鐘，而且相對(duì)價(jià)格高，來(lái)源困難，限制了它在鋁再生中的應(yīng)用6。另外，鍶也會(huì)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(dú)使用該類(lèi)變質(zhì)劑。(2)鋇、碲、銻、鋇雖對(duì)共晶型Al-Si合金具有長(zhǎng)效變質(zhì)效果，但不少試驗(yàn)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(huì)強(qiáng)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(lèi)變質(zhì)劑，稀土不僅能對(duì)硅相有變質(zhì)作用，而且還在細(xì)化aA1方面有明顯的

14、效果，實(shí)踐還表明經(jīng)稀土變質(zhì)后具有變質(zhì)效果的遺傳性49?？梢钥闯觯鸵陨先?lèi)變質(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。 33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(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)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(cè)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(shí)間長(zhǎng)，往往跟不上流水線(xiàn)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(shuō)設(shè)備價(jià)格昂貴些，但仍運(yùn)用廣泛。在檢測(cè)產(chǎn)品成分超標(biāo)和不達(dá)標(biāo)時(shí)，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(guān)腐蝕劑腐蝕后金相統(tǒng)計(jì)，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(shí)，通入N2、Ar除氣直至合格。 五、結(jié)束語(yǔ) 廢鋁再生是一個(gè)利國(guó)利民的事業(yè)，也會(huì)給企業(yè)帶來(lái)豐厚的利潤(rùn)，然而必須看到，目前我國(guó)再生鋁企業(yè)生產(chǎn)中存在的冶金質(zhì)量問(wèn)題正在直接影響著我國(guó)再生鋁向縱深方向發(fā)展。作者