再生铝的发展现状

【摘要】：随着我国经济的持续快速发展, 金属铝的用量越来越大, 铝的产能、产量也不断扩大。文章介绍了再生铝产业的现状，再生铝的处理工艺。

【关键词】：再生铝，现状，处理工艺

【Abstract】: With the rapid development of our economy, the dosage of aluminum metal is more and more big, the aluminum capacity, output also expands unceasingly. This paper introduces the present situation, renewable aluminum industry aluminum process regeneration.

【Keywords】：Regeneration aluminum，status，process

1.前言

铝(包括铝合金)是一种可回收再生和用途十分广泛的金属。在人类所使用的金属材料中，铝的消耗量居第二位,仅次于钢铁。由于资源的有限性以及各行各业对铝（铝合金）需求量的日益增加，再生铝的充分利用已受到发达国家与企业的高度重视。再生铝与原铝相比，具有很明显的节能和环保优势，每吨再生铝可以节约能源达95%，二氧化碳及其它有害排放物的排放量也大大减少。因此，再生铝已在世界各国尤其是欧美国家得到广泛的应用。据统计，目前全球每年约有1160万t废铝已进行再生利用，占了全球铝市场总需求量的40%。

随着中国经济的快速增长，我国对铝（铝合金）的需求也在不断地增加。我国已经成为仅次于美国的第二大铝消费国。尽管由于我国在再生铝的生产方面起步较晚，目前全国在废旧铝的回收以及再生铝的生产系统上还不是很完善，但是，随着我国铝工业的迅猛发展，再生铝的生产已越来越受到各方面的重视。

2.中国与世界各国再生铝产业的现状

2.1世界再生铝规模现状

新世纪以来，美国年均铝供应结构为原铝产量占30%，净进口量占35%，再生铝量占35%。2008年美国铝废料来源分为旧废料为1344 千吨，占40%，新废料为1975千吨，占60%。与中国相比，美国的再生铝废料并无从国外进口，完全依赖国内废料。

从图1中我们可以更直观的看出国外发达国家原铝与再生铝产量的总体情况。从1996年-2006年英国其中国内原铝产量为3077千吨，占供应量的35.0%，再生铝占供应量的37.2%；日本国内原铝产量为107千吨，占供应量的0.3%，再生铝占供应量的32.7%。德国国内原铝产量为6835千吨，占供应量的27.6%；再生铝占供应量的32.2%。我国再生铝供应量占铝总供应量的比例小，再生铝的发展较发达国家来说处于比较落后的阶段。2009年我国原铝供应量占74.0%，再生铝供应量仅占18.0%，其中进口废料占再生铝原料的60%。相比发达国家再生铝供应已经完全超过原铝供应而言，我国铝供应仍主要依赖电解铝生产的现状已经不再符合铝行业发展的主流趋势。由此可以看出我国的再生铝规模和废铝回收产业亟待大力发展。

2.2再生铝技术现状

目前，世界上再生铝行业发达国家的企业仍在不断研究回收率高、烧损少、节约能源、污染小、产品质量好的铝再生工艺。1991年，加拿大铝业公司研制成了流化床除漆装置(fluidised bed decoater)，能有效地消除废杂铝中含量达到50％的有机物。用实验装置取得脱漆过程数学模型与各种运转参数，制成了生产率为4 500 kg／h 的工业生产原型，至今都还在使用。其特点是：除漆效率高，温度均匀，铝的氧化少，即使是很薄的铝箔也不会熔化，铝的回收率高。而在铝渣处理技术方面，日本企业多数采用MRM 方法处理铝渣。该工艺是把热铝渣直接送入带有搅拌装置的设备中，使铝液沉积于设备底部，这时要加入能产生放热反应的熔剂，使渣保持所需温度。剩下的铝渣还可进一步进行筛选、粉碎、熔化回收铝，为二次回收处理。此外，流化床法是由加拿大铝业公司开发的，它可以处理各种废杂铝，并且回收效率高、节约能源、排放物少，至今仍为大多数国外企业所采用。

    目前，国内大多数废铝回收企业由于工艺落后、技术含量低、生产率低、铝烧损大，铝的实际收得率只有70%～80%，有的还不足60%，而发达国家则在90%以上，有的高达98%。在设备上，我国大多数再生铝生产企业所普遍采用的铝熔炼设备是普通的反射炉（燃油或燃气）。由于此类设备使用明火对铝进行接触式的加热熔化，熔炼过程中金属烧损现象严重，特别是熔炼薄壁、废屑等废铝金属，使得铝的回收率相当低。同时也因技术不足而使得整个过程油耗远高于世界先进水平，目前国内再生铝企业的吨产品油耗一般在80kg 以上，有的甚至超过100kg（目前世界先进水平在45～50kg左右）。

当然，国内也有在这方面做得比较好的企业。中铝青岛轻金属有限公司新建的再生铝项目，采用了世界最先进的工艺设计，主要设备均由国外引进，其中2台由德国LOI公司生产的60吨双室熔炼炉是国内首次整套引进该类熔铝炉。双室炉将传统反射炉用隔墙分为加热室和废料室两个炉室，是在侧井反射炉的基础上发展起来的，其主要优点是废气排放低、节能、金属损耗低、生产效率高，特别适用于再生铝的熔炼。

2.3中国大力发展再生铝产业的条件已经成熟

截止2009年，我国已使用铝大约在9000万吨左右，而中国自有统计数字可查以来铝蓄积量在12500万吨以上，这无疑将是我们今后发展再生铝行业的优厚资源，凭借着再生铝生产在能源和环境方面的巨大优势，伴随着技术条件的成熟，国内铝产业由“原生型”转为“再生型”的条件已经成熟。

3.再生铝处理工艺

3.1再生铝熔体精炼技术与工艺

为了提供再生铝的机械性能，使其更适应市场的需求，必须对再生铝熔体进行精炼。铝熔体的精炼处理包括熔体净化处理、变质处理和晶粒细化处理等。其中，净化处理是铝熔体处理的关键，是变质和细化的基础。回收的最先进的精炼技术。与重熔电解铝相比，在废铝重熔时，铝液中可能形成的冶金杂质更多也更复杂，主要包括：①氧化物和铝渣；②钛、硼聚集夹杂物；③耐火尖晶石颗粒；④沉积物(如Al-Fe-Mn-Cu 等)；⑤氢气(来自油和水)；⑥阳极氧化和涂漆表面造成的夹杂物。这些铝液中的杂质必然对铝锭的质量及后续的加工造成显著影响，造成生产成本的增加。因此，对于废铝的再生利用，最重要最关键的就是有效地对废铝熔体进行净化处理，下面简单介绍一下再生铝熔体净化处理的方法和国内外常用的铝熔体净化处理工艺。

1.铝合金净化方法

铝熔体中的有害物质主要有溶解气体（氢最有害）、机械夹杂的化合物以及金属杂质。铝合金净化方法按其作用原理可分为吸附净化和非吸附净化2 个基本类型。

（1）吸附净化法

吸附净化是指通过铝熔体直接与吸附剂（如各种气体、液体、固体精炼剂及过滤介质）相接触,使吸附剂与熔体中的气体和固态氧化夹杂物发生物理化学或机械作用，达到除气、除杂的目的。属于吸附净化的方法有吹气法、过滤法和熔剂法等。

吹气法又称气泡浮游法，它是将惰性气体（如氮气、氩气等）通入到铝熔体内部，形成气泡,熔体中的氢在分压差的作用下扩散进这些气泡中，并随气泡的上浮而被排除，达到除气的目的。气泡在上浮的过程中还能吸附部分氧化夹杂，起到除杂的作用。

过滤法是让铝熔体通过中性或活性材料制造的过滤器，以分离悬浮在熔体中的固态夹杂物的净化方法。过滤材质一般使用玻璃布、刚玉球以及泡沫陶瓷。过滤法主要是去除熔体中的夹杂物，除氢效果甚微，所以在实际应用中，过滤法往往与吹气法相结合。

熔剂法是在铝合金熔炼过程中，将熔剂加入到熔体内部，通过一系列物理化学作用，达到除气除杂的目的。根据不同要求，还可以加入覆盖剂、精炼剂、变质剂、晶粒细化剂、脱气剂、发热剂、除渣剂、炉壁净化剂等。熔剂基本上是一些氯化物、氟化物、硫酸盐、盐、碳酸盐等。一般熔剂为多元化合物，按其需要配制。

（2）非吸附净化法

非吸附净化是指不依靠向熔体中加吸附剂，而通过某种物理作用（如真空、超声波、密度差等）改变金属气体系统或金属夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和固体夹杂物从铝熔体中分离出来的方法。属于非吸附净化的方法有静置处理、真空处理和超声波处理等。

静置处理是指将铝熔体在浇注前静置一段时间，由于夹杂物的密度比铝熔体的大，所以夹杂物会自发下沉,从而达到从熔体中分离的目的，小颗粒的夹杂很难用该方法除去。

真空处理是将熔体置于有一定真空度的密闭保温炉内，利用氢在熔体中和气氛中的分压差，使熔体中的氢不断生成气泡，并上浮逸出液面而被除去的方法。

超声波处理是利用超声波在熔体中的空化作用，使液相连续性破坏成孔穴，该孔穴使溶解在铝液中的气体聚集在一起，超声波弹性振荡促使气泡的结晶核心形成，并促使气泡聚集到一定尺寸，从而保证气体的析出。由于超声波发生器的局限性，该方法很难处理大批量的铝熔体，了其工业应用。

2. 国内外常用的铝熔体精炼技术

铝熔体的净化处理是铝熔体精炼的基础，在实际生产应用中，常用到的铝熔体净化处理技术往往都是上述几种净化法综合应用的最佳组合，现目前国内外常用的熔体净化技术和先进的精炼技术。

（1）国外早期的铝熔体净化法

熔体ALCOA469 净化法（ melt purification byALCO469 method），美国铝业公司于1974 年公布的一种铝熔体炉外净化方法，它有两个净化处理室，每一室的底部有净化气体扩散器。净化气体为氯和惰性气体混合物，氯的体积含量为1%～10%。第一净化室的过滤介质全为直径13～19mm的氧化铝球，厚152～381mm。第二净化室的过滤介质有两层，底层为直径13～19mm 的氧化铝球，厚51～254mm；上层是粒度3.37～6.35mm 的氧化铝片，厚152～254mm。铝熔体连续经两次气体过滤净化后，每100g 含气量为0.08～0.15cm3。Na含量小于0.0001%，夹杂物含量很低。该装置成本低，结构简单，但由于要定期更换氧化铝球，使用前要加热过滤床，使用不方便。

现今已经比较成熟并已引入我国的铝熔体净化技术是由美国相继研发的SNIF 法、Alpur 法和MINT 法。SNIF 法和Alpur法这2 种方法都是利用快速旋转的石墨气体喷头使精炼气体呈微细气泡喷出分散于熔体中，从而达到去除熔体中的氢和部分氧化物夹杂的目的。Alpur 较SNIF 装置除气效果好，使用方便，设备结构简单，价格便宜，使用寿命长，炉内不用气体保护，清渣方便，深受广大用户的青睐。生产上常将Alpur和SNIF 泡沫陶瓷过滤相结合，净化效果更好。MINT 法是通过固定在反应器底部锥形截面处的喷嘴向熔体中吹入净化气体，同时从上部沿圆筒形处理器切线方向注入铝液，使之呈螺旋状向下流动，把细小气泡均匀弥散分布到熔体中，把熔体中的氢除去。熔体从反应器底部流出，通过上升管流入泡沫陶瓷过滤器，氧化物夹杂则被过滤掉。该装置结构非常简单，没有同熔体接触的运动部件，占地面积小，更换合金品种方便，除渣效率高，更加适用于在多合金生产的熔铸机组上使用。

    这三种方法和设备在线处理方法(炉外精炼)上虽然效果显著，但不适于中小铝厂使用，必须寻求适合我国国情的方法与设备。

（2）旋转喷粉法

熔剂法和旋转喷吹法相结合形成铝合金净化新工艺。该法与炼钢中的喷粉冶金类似，它是借助惰性气体作为载体,将熔剂以粉末状喷入熔体来实现铝合金的净化处理,与传统的方法相比， 旋转喷粉法的净化效果更佳, 如FIP 法和Heproject 法等。由我国研发的FIP 法（Flux InjectionProcess），即俗称的喷射熔剂法，是一种除气、熔剂排杂净化兼优的方法，于20 世纪80 年代初出现，是未来很有发展前途的先进净化技术。Heproject （ Heproject Mo-bileRotary Flux Feeder）铝熔体处理法，即旋转喷射溶剂法，是一种移动式高效熔剂旋转喷射搅拌处理系统，是当前处理铝合金最先进的工艺，是近些年工业发达国家广为使用的净化铝熔体的先进技术，它集净化处理(除气、涂杂、除钙等)、钠变质处理、磷晶粒细化处理等于一体，且对环境无不利影响，成本费用适中。

（3）泡沫陶瓷法

双级除气和双级过滤工艺（DDF）处理铝液的过程是将熔体先导入有旋转喷头的双级除去室，除去熔体中的氢，再将其导入装有2 块不同孔径泡沫陶瓷过滤器的双级净化室，去除熔体中的细微杂质。该法的缺点是：①装置分散，占用空间大；②使用转子喷吹，引起熔体液面起伏，加剧氧化；③双级过滤还不能除去大部分尺寸10μm 以下的杂质，除气后氢的含量在0.08～0.12mL/(100gAl)；④采用了污染环境的净化气体。

铝及铝合金熔体复合净化方法是一种以除不溶性夹杂物为主的净化处理方法。该过滤净化装置由3 种不同规格的泡沫陶瓷过滤器和2 层溶剂过滤器组成。不同规格的陶瓷过滤器实现不同尺寸的非金属杂质的分级捕获，可完全除去尺寸10μm 以下的非金属杂质，使铝合金中含氢量下降到0.08～0.12mL/(100gAl)以下。这种工艺能过滤微量级的氧化物夹杂，效果好而且成本低，设备结构简单，使用方便，适用于各种合金。其缺点是该工艺本身不具有除氢功能，过滤板定期更换，易破损，常给生产带来麻烦。

（4）真空处理

在熔炼温度范围内，铝液表面有致密的γ-Al2O3 膜存在，阻碍氢的析出，因此，必须清除表层氧化膜的阻碍作用才能获得好的除气效果。真空处理是物理净化的一种方法。包括静态真空除气和动态真空除气。

静态真空除气是在真空处理的同时，在熔体表面撒上一层溶剂，以便使氢气通过氧化膜除气，但除气效果并不是很好。相对于静态真空除气而言，动态真空除气是一种以除气为主的净化处理方法。其工艺过程是先将真空炉抽成10mmHg的真空，然后打开进料口密封盖，把从保温炉来的铝熔体借真空抽力喷入真空室内，喷入真空室内的熔体，呈细小弥散的液滴，因而，溶解在铝液中的氢能快速扩散出去，钠被蒸发燃烧掉。经动态真空处理后的铝熔体氢溶解度低于0.12mL/(100gAl)。动态真空除气工艺的优点是：除气效果好、无公害、处理过程造渣少；缺点是：除其它有害杂质的效果差，不能实现连续处理，设备结构复杂，设备价格昂贵，而且设备的密封性难以保证。

（5）电磁净化法

这种净化方法的原理是利用金属与非金属电导率的不同而引起的电磁力差异来实现金属与非金属的分离。无论夹杂物与金属液之间的密度多么接近，二者的分离都能实现。这种方法理论上可有效去除粒径10μm 以下的夹杂物。该装置的最大优点是，可以自动分割富含夹杂熔体与净化后的纯净熔体，并将其连续不断地移除。不仅效率高、无污染，而且稳定性高，不受夹杂状态和热动力学因素影响。尤其对于那些粒径细小、密度与母液密度差别不大，并且用传统的净化方法难以除去的非金属夹杂物分离效率很高。但也存在着磁场分布不均匀引起的流动、电极浸渍而污染金属、设备投资相对较大和电磁场能利用率低等问题。

（6）稀土元素精炼法

这是一种溶剂净化法，稀土化合物可与铝熔体反应生成稀土单质，这些单质既能与铝液中的氢反应，生成REH2 和REH3，起到除氢的作用，又可与Al2O3 反应置换出Al 从而明显降低铝熔体中氧化夹杂的数量。该工艺充分运用稀土元素与铝熔体相互作用的特性，发挥稀士元素对铝熔体的精炼净化和变质功能，能够实现对铝熔体的净化、精炼及变质的一体化处理，不仅简洁高效，而且能够有效地改善再生铝的冶金质量。在处理的全程中均不会产生有害废气和其他副产品，有望使废铝回收冶炼业的环境污染问题得到彻底解决。

（7）LARS 法

LARS(TM)为Liquid Aluminum Refining System 的缩写，是20 世纪90 年代中期开发成功的一种新型在线铝液精炼系统，是目前国际上最先进的铝熔体精炼系统之一。LARS 系统采用独特的构思，对设备结构进行精巧的改进，使其在线精炼效果得到明显提高。LARS 系统的工艺可简单描述为：在LARS工艺过程中，熔体金属被惰性气体和卤素气体混合处理；气体通过特殊设计的石墨转子注入熔体金属中，从熔体金属熔池底部产生细微分散的气泡，转子切割气泡并帮助去除结块的粉末杂质；这些气泡携带杂质、吸附的气体和碱金属杂质上升到熔体表面；熔体金属表面上的惰性气体压力保持正压，以避免铝和石墨砖被氧化，以及避免加热装置被腐蚀；加入一定量的卤素气体，以便与碱金属反应生成氯化物，这些氯化物将依靠浮力上升到液面上并被排出。

LARS 系统采用的独特技术包括：净化气体原位预热、净化气体与铝熔体的摩擦搅拌、反应室的体积变化以防止气泡聚集、保护气体覆盖等。正是这些独特技术的应用，使LARS系统实现了有效地消除铝熔体内的杂质，达到了铝熔体纯净化的目的。如上所述，LARS 在线铝液精炼系统可以去除99.9%的粒度大于20μm 的所有杂质,因此最适合应用于废铝的精炼。

3.再生铝其它处理技术

在铝合金的熔炼过程中，金属的熔损是个不可避免的问题，尤其在再生铝生产中对废铝的熔炼，烧损更大。我国再生铝行业的烧损因废铝原料种类不同差异较大，基本在3%~10%之间。针对烧损问题，有学者提出了若干措施，例如减少炉料比表面积、合理安排装炉顺序、选择适当的熔炼方式、严格控制熔炼温度、保证良好的燃烧状态、选取恰当的精练制度、减少熔体停留时间、做好预热除湿操作等。

为了从根本上消除熔炼法带来的烧损、能耗高、步骤复杂、烟尘大等问题，埃及的Samuel 提出了铝废料的回收再生新技术，该技术不经历熔炼阶段，新技术的工艺流程大体如下：铝废料→细化成粉末→分离铁粒子→清洗→退火→冷压实→烧结→压延成品。新技术工艺简单，工序少，回收率高。Fogagnolo 提出了通过热挤压的方式回收金属铝和铝基金属化合物的方法。该工艺在回收铝碎片时，在热挤之后接着进行冷压或热压，对铝碎片直接回收，省去了将碎片变为粉末的碾磨工序。该工艺从经济上更为合理，且可以用在铝基化合物的回收上，在回收铝基化合物时，省去了强化相的分凝过程。

此外，英国布鲁内尔大学BCAST 分院最近的工作显示，成熟强烈的切变熔融加工工艺熔化铝镁合金可形成半固态浆料，这种浆料可用于多种常规铸轧，包括双辊铸轧。直接输入预条件半固态金属连铸开辟了双辊铸轧铝合金品系。熔炼模式：与一个完全啮合和自擦拭螺杆在一个准确控制温度的筒内共同旋转。螺杆有专门设计的剖面，以实现高剪切率、高强度的湍流以及所需的停留时间。熔炼条件有恒温和化学成分固定，密集的熔融剪切转换任何氧气粒子束和氧化膜进入精炼，剪切力使液态金属完全浸湿，形成恒定令人满意的分散颗粒。液态金属温度分布均匀恒定，所有的晶核不受破坏，一次关键的过冷却，贯穿整体液态金属的非均相成核条件。进料部分上的有连铸带需要的分布均匀恒定、精细完全的等轴的微观结构的组织成分，随后简单热加工获得高品质的板材。有高剪切处理半固态金属的常规辊连铸的多功能仪器设备，被称为双辊流变铸造（TRRC）。由于TRRC 可以允许有更高级别的杂质，尤其是铁，大大增加了回收报废车辆废料为双辊连铸原料的机会，TRRC 有可能成为生产高性能汽车薄板产品类似AA5754 最有成本效益的方法。

4.结语

伴随我国经济的快速发展，铝的用量也在逐年增加，但我国铝土资源较为紧张，为了满足国内铝消费的需求，我们必须加大对再生铝的投入力度，这就为国内的再生铝工业提供了相当大的发展机遇。我国的再生铝发展潜力巨大，同时也面临着巨大的挑战，重视和加强再生铝的管理和科技投入，可以很大程度上缓解我国铝行业的可持续发展和节能减排的问题，为我国的经济建设作出贡献。

参考文献

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