废铝再生的熔炼技术研究

再生铝的熔炼技术研究王刚1，高安江1，曲信磊2，张敏2（1.丛林集团有限公司山东龙口265705；2.山东丛林铝资源再生研究中心山东龙口265705；）摘要：随着经济的快速发展和节约资源、保护环境的迫切要求，我国再生铝行业近几年来发展迅速，而熔炼技术是再生铝应用的一大难题。本文主要介绍了再生铝熔炼设备，杂质元素的去除方法，熔炼过程中的除气及精炼净化工艺，为再生铝的应用提供参考。关键词：再生铝；熔炼；杂质；除气；精炼中图分类号：TG146.2文献标识码：A文章编号：目前铝是世界上使用最多的有色金属，铝制品被广泛使用于国民经济的各个领域。近年来，随着我国各行各业对铝的需求量逐年增加，铝的供应量逐年增大，由于我国原铝主要来源于电解铝，而国内有将近一半的氧化铝是从国外进口，这导致生产成本大大增加，为此需要大力发展再生铝行业[1]。与生产电解铝相比，利用废铝再生可以节约水电等能源达95%，其生产过程中产生的废气、废物较少，对环境的污染大大减少，同时使用再生铝还可降低铝合金制品的生产成本，具有良好的社会效益和经济效益[2,3]。铝合金熔炼的基本目的是：通过制定合理的熔炼工艺，得到化学成分符合生产要求，纯净度高的铝合金熔体。再生铝合金的熔炼是将经过预处理的废铝料、铝屑等在熔炼炉中进行重新熔化，并在熔融的过程中进行除气、除渣、变质、精炼等工序，以得到化学成分符合要求的铝液，最后浇注成锭。再生铝的原料一般是一些不同合金混杂、成分不清的废料，必须通过熔炼，并借助一定手段，排除废料中的有害杂质、气体以及氧化物等，才能为铸锭的生产提供优质熔体[4]。下面将重点介绍国内外再生铝熔炼相关方面的技术。1再生铝熔炼设备再生铝的熔炼铸造过程如下：装炉→熔化（加硅、铜、锌等合金元素）→扒渣→加镁、铍等（如必要）→搅拌→取样→调整成分→精炼→扒渣→转炉→变质处理及静置→净化处理→铸造。目前国内外的再生铝熔炼技术包括反射炉、坩埚炉、双室炉、高效循环反射炉、水平回转炉、倾斜式回转炉及感应炉等熔炼技术[5]。其中反射炉是熔炼铝合金的主要设备，在再生铝行业大量应用，并派生出许多炉型[6]。（1）双室反射炉双室反射炉内设悬挂隔墙，将炉膛分为加热室和熔解室。其优点主要有：①由于废铝料的预热、干燥及熔化都避开了猛烈燃烧的火焰，因此金属烧损少。②熔炼时，采用循环式搅拌机循环搅拌熔体，使熔体的温度及成分更加均匀。③采用了旋转蓄热式的加料机构和炉型，能够使全部烟气余热得到回收，因此提高了热效率，降低了能耗。④在密闭的系统中加入废铝料，避免了烟气的溢放，改善了车间的工作环境。（2）加料井式熔炼炉此种熔炼炉也是一种双室反射炉，由构成一个循环系统的熔炼炉、加料井及磁力泵共同组成。再生铝熔炼过程中，持续加到加料井中的废铝料，被过热的铝液熔化，并在在磁力泵的作用下进入反射炉，如此反复进行，便可达到熔炼的目的。其具有金属烧损小，回收率高的优点。此种熔炼炉适合处理碎的废铝料，尤其适用于铝屑的处理。（3）旋转式反射炉由于在生产过程中，旋转炉的炉体可以旋转360°，因此热效率大大提高。其还具有传热速度快，可以基本上免去搅拌操作的优点。除此之外，熔融的铝液与耐火材料是均匀接触的，避免了对炉壁的不均匀腐蚀，增加了炉子的使用寿命。其缺点是使用的燃料必须是液体或气体。（4）落差式反射炉落差式反射炉由相互通联的熔化炉和熔炼炉构成，两者存在一定的位差，其又被称作子母炉。落差式反射炉是一种比较适用的再生铝熔炼炉，特别适用于含铁高的废铝料的熔炼。由于熔化炉只负责废铝料的熔化，在整个熔炼过程中可以杜绝铁对铝溶液的污染，提高了熔体质量。在使用过程中，为了减少铁与其它杂质元素的溶入，要尽量缩短铝溶液在炉内的停留时间，因此当炉料熔化之后，要尽快将溶液放出。（5）带有电磁搅拌系统的反射炉电磁搅拌系统是由英国EMP技术公司在90年代中期研发的，可用于各种反射炉和静置炉。其优点是：电磁泵坚固结实，寿命长；金属的烧损率降低，废铝料的回收率明显提高；铝熔体的化学成分更加均匀。同时使用电磁搅拌系统，可以减轻工人的劳动强度，降低产生的炉渣量，净化车间环境。2熔炼过程中杂质元素的去除再生铝与原铝相比，当中含有的杂质元素更多，主要有Fe、Mg、Zn、Si、Cu、Mn等[7]。由于杂质元素的存在会使再生铝的性能降低，大部分铝合金被降级使用。因此研究再生铝生产过程中的杂质元素的去除，具有十分重要的实用价值。2.1Mg杂质的去除方法镁可以提高铝合金的强度，但是过多的镁会使铝合金产生应力腐蚀和焊接裂纹。与其他杂质元素相比，Mg杂质的去除更加容易。目前，镁的去除方法主要有以下几种：（1）自然氧化法在高温下镁的亲氧性比铝更高，生成的氧化镁可以以熔渣的形式去除。这种除镁方法工艺比较简单，操作容易，但是在除镁的同时，铝或多或少也会与氧气发生反应，加大了铝的烧损量。（2）减压蒸馏法利用镁在高温下容易挥发的特点，通过降低压力，加剧镁的挥发，从而实现镁与铝的分离。（3）添加熔剂法包括除镁剂除镁、冰晶石除镁和添加SiO2除镁等方法。（4）通入气体法在高温条件下，氯气可以和镁发生反应，生成密度较小的MgCl2，并上浮到铝液表面，可以以熔渣的形式去除。同时氯气还可以与氢气和钠发生反应，对氧化铝也有分解作用，因此具有良好的除气、除渣和除钠作用。但是由于氯气有毒，会对环境造成污染，使设备产生腐蚀，并且还会使铸锭生成粗大晶粒。（5）吸附法此种方法是美国矿务局的科学家研制成功的，是一种更安全、更清洁的新的除镁工艺。其原理是将一种特制的钛化锂化合物捕集剂装置放入熔融的废铝中，从而捕集熔液中的镁离子。2.2Zn杂质的去除方法当Zn以杂质的形式存在于铝合金中时，会造成铝合金焊接性能的降低，去除再生铝中Zn杂质的方法有：（1）搅拌法搅拌法除Zn的原理是：通过用工具直接搅拌铝熔体，促进氧气卷入熔体中，Zn被氧化，从而可达到除Zn的目的。但是使用这种方法除Zn效果不明显，不仅会造成Al和其他元素大量的烧损，还会使熔体吸气，导致夹杂的大量产生。（2）沉淀法其除Zn原理是：锌的密度比铝液中其他有用元素大，若对铝液采取长时间静置，则密度较大的锌会沉在炉底。其缺点是除锌的效果受静置时间及熔体的温度影响较大，而长时间的保温会消耗大量的能量，同时由于铜等有用的重金属也被除去，需要补加这些元素。（3）真空蒸馏法2.3Fe元素的去除方法目前主要通过两种方法来减轻或降低铁对铝合金的有害影响：一是通过一定措施降低铝熔体中的铁含量；二是通过采取熔体过热、提高冷却速度、添加变质剂或中和剂等手段来改变铁相在铝合金中的组织形貌[8]。目前，再生铝熔炼过程中，Fe的去除方法主要有稀释法、重力沉降法、熔剂法、离心去除法、电磁分离法及复合净化法等。（1）稀释法其原理是将纯铝或含铁量较低的铝锭加入含铁量较高的铝熔体中，从而使原铝合金中的含铁量降低。此种方法虽然可以使熔液中Fe的含量降低，但会浪费材料，增加成本，故一般不推荐使用。（2）重力沉降法此种方法是最简单的去除Fe的方法，其原理是：在液相线温度以上很小的范围内保温静置一定时间，由于富铁化合物密度比熔体密度大，在重力作用下，铁相沉降到炉子底部，从而使上层铝液得到净化。其缺点是铁相沉降后，从上到下其浓度呈梯度分布，因此很难彻底将铁相与铝熔体分离，造成铝料的大量浪费。（3）熔剂法除铁一种为加锰法除铁，一种为加硼法除铁。工业上主要有两种加锰方法：直接加入锰单质和以化合物的方式加入锰。硼能极大影响铁在铝中的存在形式及分布状态，但是加入硼砂或氧化硼会影响铝熔体的质量，因此急需寻找一种既可以去除铝熔体中的铁元素又不破坏铝熔体质量的复合熔剂。（4）离心去除法离心去除法的原理是：由于液—固相之间存在一定的密度差，在离心力的作用下，比液相重的固体可以集中到分离器外壁。离心分离法的优点是施加在铁相上的离心力可以通过调节转速进行改变，速度比重力除铁法快。（5）电磁去除法这种除铁方法的原理：是通过合金化处理，使富铁相在液态铝熔体中析出，由于初生的富铁相在导电性和电磁性上与熔体存在差异，在电磁场的作用下，其与熔体有着不同的运动规律。通过对铝熔体进行连续电磁过滤法处理，这样便可达到去除富铁相的目的。（6）复合净化法主要是将含有Cr、Mn、Zr、Ni这四种元素的添加剂加入到富铁熔体中，对其进行处理，形成多元富铁相，这些多元富铁化合物会随着温度的降低而长大并沉降。再用泡沫陶瓷过滤器对沉降后的熔体进行过滤，将未沉降的小富铁颗粒除去。可见，采用这种复合净化的方法可有效去除铝熔体中的Fe。3熔炼过程中的除气工艺（1）气泡浮游法除气其原理是在铝液中通入某种不含氢的气体产生气泡，这些气泡在上浮过程中能够将溶解在铝液中的氢带出，逸入大气。气泡浮游法分为吹气精炼法和氯盐或氯化物处理法。吹气精炼法是指将不溶于铝熔体的惰性气体或活性气体吹入铝液中，常用的有吹Cl2和吹N2净化法。向铝熔体中通入惰性气体、氮气后，会有气泡产生，在分压差的作用下，熔体中的氢通过扩散进入这些气泡，并随着气泡上浮、排出，以此达到除气的目的。除此之外，熔体中的夹杂物也能在气泡上浮的过程中被吸附，从而被除去。（2）真空处理法此种除气方法是将熔体放入有一定真空度且密闭的保温炉内，由于氢在熔体和密闭容器中存在分压差，熔体中的氢就会不断生成氢气，上浮后溢出熔体，从而被除去。真空处理法是去除铝熔体中含有的氢的最高效的方法，但是其需要真空密闭设备，因此价格昂贵，而且此法还会使熔体产生很大的温度损失，且不具备较强的除渣能力。（3）超声波除气铝液中含有的气体也可采用超声波处理进行有效地去除。超声波除气法发展于20世纪90年代，是一种新的铝熔体净化技术。其原理是向铝液中通入弹性波，引起“空穴”现象，使铝液结构的连续性被破坏，从而产生无许多显微真空穴，溶于铝液中的氢就会迅速地进入这些空穴中，成为气泡核心，继续长大后，以气泡状逸出铝液，从而达到除氢效果。4再生铝的净化精炼工艺净化精炼是再生铝熔炼时十分重要的工序，最常用的有粉体喷吹和惰性气体净化处理法。目前最常用的精炼剂为氯盐和氟盐等，也可以采用Cl2或C2Cl6。这些精炼剂虽然具有较好的净化精炼效果，但产生的AlCl3、HCl等副产物会对人体、环境及设备产生很大的损害。而精炼剂若选用N2、Ar等惰性气体，净化效果却不是很好。，目前比较先进的技术是采用稀土合金对再生铝进行变质、细化和精炼，充分运用稀土元素与铝熔体的相互作用，从而实现对铝熔体的净化、精炼及变质的一体化处理。此种精炼方法，简洁高效，能够有效地改善再生铝的冶金质量，同时在处理的过程中不会伴随有害废气和其他副产品的生成。此外，采用同时使用两种精炼工艺的联合精炼法，比如氯盐-过滤，吹氩-熔剂这两种联合精炼法的效果均比单一精炼更好[9-11]。5总结我国再生铝行业虽然具有广阔的发展前景，但同时也存在着巨大的挑战：我国无论在废铝的预处理，还是在熔炼-铸造以及技术研发等方面都与发达国家存在着巨大的差距。由于再生铝的原材料主要是一些废杂铝，除了在熔化之前采取各种预处理手段，以消除杂质、外来元素等进入熔体外，如何通过熔体净化、提纯等技术以降低杂质元素及某些合金元素的含量，从而使化学成分满足目标产品的要求是再生铝应用的一大难题。因此要想获得高端再生铝产品，必须大力开展废铝的高效分拣、高回收率熔炼、杂质元素分离及熔体净化等技术的研究。参考文献[1]王祝堂.中国资源综合利用[J].中国再生铝工业，2002（9）：30-37.[2]孙德勤.浅谈废铝再生的可持续发展[J].铸造技术，2013，34（1）：21-23.[3]高安江，曲信磊.废铝回收处理技术及工艺研究[J].再生资源与循环经济，2014,7（2）：35-37.[3]陈瑞丰.废铝屑熔炼工艺及组织性能的研究[D].河北农业大学，2013.[4]姜玉敬.我国再生铝行业发展的基本情况及展望[J].轻金属，2012（8）：2-7.[5]张正国，张孟林，刘金贵.再生铝的熔炼设备[J].工业炉，2006，28（4）：21-25.[6]范超，唐清春.再生铝杂质元素的去除方法[J].热加工工艺，2011，40（24）：6