一、原料混雜程度高成為再生鋁發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)難題

 

西方發(fā)達(dá)國家對廢鋁再生行業(yè)的發(fā)展極為重視，大多數(shù)國家的再生鋁產(chǎn)量都要占到整個鋁加工總量的比例50%以上。其中德國為50.6%，美國為52.4%，意大利為 75.6%，日本則達(dá)到了99.5%。顯然，再生鋁已成為世界鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種必然趨勢。

 

廢鋁再生與原鋁生產(chǎn)工藝相比，其最大的特點在于其原料是回收來的廢鋁零件、生產(chǎn)邊角料、建筑鋁材、包裝用鋁、廢鋁線纜等。于是，廢鋁再生原料混雜程度較高的問題就凸顯出來。目前國內(nèi)再生鋁生產(chǎn)企業(yè)的原料主要有2種來源，一是從國外進(jìn)口的原料，二是通過流通領(lǐng)域回收來的鋁合金廢料。這些原料經(jīng)常摻雜著其他金屬及非金屬夾雜物。①廢鋁原料來源于不同的使用領(lǐng)域，包含了較為復(fù)雜的鋁合金系列與牌號，如鑄鋁以高硅（Si）鋁合金為主、建筑型材或結(jié)構(gòu)用鋁材大都是以鎂（Mg）、Si為主要合金化元素的6XXX系列合金、裝飾用鋁材大都采用鋁（Al）-Mg系合金、電線電纜以及包裝用大都為純鋁等，它們往往在收集過程中混雜為一體；②廢鋁原料的回收渠道各種各樣，在回收過程中會受到不同程度污染，又會混入許多非鋁物質(zhì)；③出于產(chǎn)品包裝等功能需要，很多鋁及其合金制品的表面都噴涂有有機涂料或者漆料等；這種混有各種夾雜物質(zhì)的原料是無法直接進(jìn)行熔鑄、變形加工等加工過程的。主要原因在于，如果直接將這些原料進(jìn)行熔煉與鑄造，這些廢鋁元素的大量混入以及有機或無機夾雜物的帶入，會發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng)，不但會造成熔煉過程產(chǎn)生大量的有毒氣體，而且會在澆注和凝固過程中卷入基體中，造成氣孔、疏松等缺陷的產(chǎn)生；同時也會形成大量的固體夾雜物存在于基體中，致使材料的微觀組織和使用性能無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，致使再生鋁產(chǎn)品大部分還只能局限于鑄錠等初級產(chǎn)品。

 

提高廢鋁再生深加工能力，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品是世界各國共同追求的目標(biāo)。欲獲得高質(zhì)量的再生鋁產(chǎn)品，廢鋁原料的預(yù)處理就成為再生鋁生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，包括原料收集、儲存、分類、表面漆膜的處理、非鋁元素的去除等。

 

二、廢鋁原料的回收與管理體系需要進(jìn)一步規(guī)范

 

原料的分類回收是實現(xiàn)原料純凈化的第一個環(huán)節(jié)。再生鋁生產(chǎn)企業(yè)的基本要求是能夠獲得相對純凈的廢鋁原料，減少大量非鋁元素以及有機或無機夾雜物的帶入。這就要求在原料回收時即對廢鋁進(jìn)行初級分類，進(jìn)而實現(xiàn)不同類型廢鋁原料的分區(qū)堆放，最終降低廢鋁再生的工藝難度。我國有些公司的做法是值得借鑒的，如中國最大的鋁廢料進(jìn)口商上海新格有色金屬有限公司，其原料處理過程自動化程度較高，可以實現(xiàn)所有入廠原料按照鋁合金種類等分區(qū)存放，并建立了成本建檔管理體系。這種有效的原料管理模式確保了產(chǎn)品品質(zhì)。因此我國再生鋁行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急是建立合理、完整的廢舊鋁原料回收體系，概括如下：

 

①生產(chǎn)性廢鋁原料。主要是某一類確定產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的廢品或殘次品、工藝廢料如澆冒口等，這些原料中化學(xué)成分比較一致，是優(yōu)質(zhì)的再生鋁原料，應(yīng)單獨回收并提供給對應(yīng)的專業(yè)生產(chǎn)廠商。

 

②對不同使用領(lǐng)域的廢鋁原料進(jìn)行分類收集。不同使用領(lǐng)域的廢鋁原料大都存在較為明顯的化學(xué)成分與使用性能方面的差異，如鋁罐料主要以3003或3104合金為主、電纜導(dǎo)線用鋁基本為純鋁、建筑型材主要為6063或6061等，對這些原料進(jìn)行分類收集與儲放，分別應(yīng)用于同類型鋁合金制品的再生，將會大大降低原料處理的難度，提高合金的利用率。

 

③對鑲嵌件的分類回收。廢舊機器或設(shè)備的鋁合金零部件中，存在一些鋁與鋼、銅、塑料等通過鑲嵌組合成為零件的現(xiàn)象，這些零件由于鋁與其他非鋁金屬結(jié)合較為緊密，通過常規(guī)的磁選、風(fēng)選等措施是無法實現(xiàn)非鋁合金的分離，而且由于非鋁合金的相對比例較大，所以該類廢鋁原料應(yīng)該單獨收集，集中處理。

 

發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了完善的廢雜鋁收集與管理系統(tǒng)，它們通過國家行政立法、規(guī)范行業(yè)行為以及制造業(yè)與流通業(yè)的物流管理體系等，提高了廢鋁原料分類收集的效率。如美國每年50多萬t的易拉罐生產(chǎn)原料，大都來自于制罐廠的邊角廢料和回收舊罐。另外，通過開發(fā)連續(xù)熔煉和處理工藝等創(chuàng)新技術(shù)使低品位廢雜鋁升級，提高了廢鋁再生生產(chǎn)體系的原料純凈度。

 

但受限于各種客觀條件，我國并沒有形成科學(xué)的回收體系。資源富集程度較低，影響了對廢鋁原料的利用；很多廢舊物資回收加工企業(yè)還在采用非常原始的方法，根本沒有創(chuàng)新意識或者缺乏資金能力去引進(jìn)或采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，阻礙了廢鋁原料回收利用的發(fā)展進(jìn)程。因此，建立完整的回收、運輸、處理、利用廢舊商品回收體系已刻不容緩。

 

三、重視去除廢鋁原料表面有機物夾雜的工藝技術(shù)

 

廢鋁原料收集過程中對質(zhì)量要求較低，回收企業(yè)的存儲條件有限等原因，造成經(jīng)常有大量的油泥污垢等附著于廢鋁原料表面，某些產(chǎn)品的表面還發(fā)生了嚴(yán)重的銹蝕；這些污垢和銹蝕往往是原料熔煉時產(chǎn)生大量氧化夾雜的主要來源，會大大降低再生鋁產(chǎn)品質(zhì)量；鋁合金制品為了達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)識、表面保護(hù)、美觀等目的，往往會在其表面噴涂各種涂料或包覆各種有機或無機材料等，一旦這些物質(zhì)被帶入到原料的熔煉過程中，會造成熔體嚴(yán)重吸氣，凝固過程中易產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷；而且無機物的混入會產(chǎn)生一定數(shù)量的非金屬夾雜，使材料的性能品質(zhì)下降[。因此，為提高廢鋁原料的熔煉質(zhì)量，最好在原料入爐前將廢鋁原料表面的漆膜及油污等除去。

 

廢鋁表面的油污可以用洗滌劑等進(jìn)行去除，難點在于表面漆膜的清除。表面漆層是以有機烴類為黏合劑、以二氧化鈦（TiO2）為主要成分的化工漆料，含有TiO2、鐵（Fe）、鈦（Ti）、氧化鋁（Al2O3）、三氧化硅（SiO3）等無機物，它們與鋁合金基體材料結(jié)合緊密，難以通過清洗等方法去除。目前國內(nèi)外主要采用干法、濕法以及機械打磨的形式來去除表面漆膜。

 

1.回轉(zhuǎn)窯法

 

回轉(zhuǎn)窯法是常用的表面漆膜干法處理工藝，將廢鋁原料裝入到回轉(zhuǎn)窯中，回轉(zhuǎn)窯以一定速度旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行加熱，表面漆層在較高溫度下逐漸炭化；在物料的相互撞擊與摩擦作用下，炭化物從鋁合金表面脫落。其優(yōu)點是熱效率高，但可能會造成鋁的燒損。

 

2.濕法處理

 

濕法處理是將廢鋁原料浸泡于化學(xué)溶劑中，利用有機物“相似相溶”原理，表面漆膜內(nèi)的有機粘結(jié)劑將溶解于有機溶劑中，造成漆膜從鋁合金基體表面脫落。其優(yōu)點是不損傷鋁基體，但會產(chǎn)生二次污染。出于避免二次污染的目的，有學(xué)者研究了冰射流方法，取得了較好的效果。

 

3.機械打磨

 

機械打磨是較為原始的工藝方法，即用砂紙打磨的方法除去易拉罐表面的漆層，但打磨處理并不能完全除掉漆層，而且打磨過程也會造成內(nèi)層鋁合金的損耗。

 

可以看出，去除廢鋁表面的漆膜等有機和無機物的工藝研究與技術(shù)創(chuàng)新的目標(biāo)是，不產(chǎn)生新的污染，同時又要不損傷內(nèi)層鋁合金，提高鋁合金的收得率。

 

四、廢鋁原料的分選處理是提高廢鋁再生質(zhì)量的關(guān)鍵

 

對廢雜鋁原料實施分撿，主要是最大限度地減少非鋁金屬元素的混入和非金屬雜質(zhì)去除，通過采用不同類型的原料分選工藝以及相應(yīng)的自動化程度高、分揀效率高的機械裝備，實現(xiàn)影響再生鋁質(zhì)量的非鋁金屬及非金屬夾雜物等從原料中有效分離除去，最好達(dá)到廢鋁原料能夠按主要合金元素把廢鋁原料進(jìn)行區(qū)分，如把原料中的鋁鎂合金、鋁銅合金、鋁鋅合金、鋁硅合金等主要鋁合金種類區(qū)分開，并分別存放與供給，可以大大提高再生鋁生產(chǎn)的效率。

 

西方發(fā)達(dá)國家，如美國、日本、德國、澳大利亞等，對鋁廢料預(yù)處理方面的技術(shù)研究和應(yīng)用是極為重視的，目前已形成了鋁廢料預(yù)處理的較為完善的工藝技術(shù)、設(shè)備制造與智能控制系統(tǒng)[8]。目前已投入應(yīng)用的廢雜鋁預(yù)處理技術(shù)主要包括以下6種：

 

1.風(fēng)選法

 

風(fēng)選法主要用于分離廢鋁原料中質(zhì)量輕、粉末狀等物資，如廢紙、廢塑料和塵土等。其工藝原理為：利用鼓風(fēng)機、空壓機等產(chǎn)生一定壓力的風(fēng)，將廢鋁原料中中密度較小的廢橡膠、廢塑料、廢木頭、廢紙等一些雜質(zhì)吹走，去除廢鋁原料中的非鋁夾雜物。該方法可以高效率地分離出大部分輕質(zhì)廢料，但必須配備相應(yīng)的環(huán)保設(shè)施，以避免工藝實施對環(huán)境的危害。

 

2.電磁分離

 

電磁分離是一種主要用于分離廢鋁中的廢鋼鐵等磁性材料的工藝，在國外應(yīng)用較廣泛。其設(shè)備比較簡單，磁源來自電磁鐵或永磁鐵，大都采用十字交叉法。即將廢鋁原料置于橫向運動的傳送帶上，進(jìn)入磁場后廢鋼鐵被吸起由縱向帶帶走，經(jīng)過一定距離離開磁場后廢鋼鐵材料失去磁力而落入特定的收集箱內(nèi)，進(jìn)而實現(xiàn)廢鋼鐵材料從廢鋁原料中分離出去的目的。磁選法的工藝簡單、投資少，但其工藝要求較高，廢鋁料的體積不宜過大。

 

對以機械結(jié)合形式構(gòu)成的鋁鋼組合零部件，則需要先進(jìn)行手工拆解和分選，直接采用電磁法很難分開。針對含有其他非鋁元素的鑲嵌件或難以分離的組合體，目前主要為將廢鋁原料在專用的熔化爐中加熱，嚴(yán)格控制熔化溫度與靜置時間，利用熔點差異和比重不同等將廢鋼鐵等材料過濾出去。

 

3.浮選分離

 

浮選分離的原理是利用密度、溶解性等物理性能將非鋁物質(zhì)排除出去，主要有濕式和干式2種工藝。濕式浮選法，即采用水或有機溶劑等液體介質(zhì)，將非溶解性材料中密度小的物質(zhì)浮在水面，密度大于水的物質(zhì)沉于水中。此方法可以分離密度小于水的輕質(zhì)物質(zhì)，簡便易行。但投資很大，同時受廢料形狀的限制，采用的主要設(shè)備是螺旋式的推進(jìn)器。干式浮選采用干砂等固體為介質(zhì)，利用高壓空氣產(chǎn)生對流作用，而帶走其中的輕質(zhì)材料；但合適的流化介質(zhì)及自動地完成分離還還處于研究階段。

 

4.拋物分選

 

拋物分選法的原理為，采用不同的工藝方式如高速傳送帶等將混雜的廢料拋出，利用不同金屬間密度不同、質(zhì)量差異等，將不同的材料拋出至不同的落點，從而達(dá)到將不同材料分離的效果。根據(jù)此種原理已設(shè)計制造出相應(yīng)的設(shè)備并已在國外投入使用，但該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等原因限制了應(yīng)用。

 

5.渦流分離

 

渦流分離技術(shù)與拋物分選的原理是非常相似的，兩者之間的最大差別在于渦流分離是在交變磁場中，利用廢鋁原料中不同金屬間的電導(dǎo)率和密度不同，磁場對不同金屬會產(chǎn)生不同的排斥力，而將這些原料的顆粒平拋至不同的距離。該方法的原料分離能力較強，可以將鋁廢料與非金屬如塑料、玻璃、橡膠等進(jìn)行分離，但存在的問題與拋物分選工藝也很相似，主要體現(xiàn)在設(shè)備昂貴，而且由于設(shè)備中裝有永久磁體，必須預(yù)先對原料進(jìn)行磁選除鐵，以避免鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生渦流熱效應(yīng)而對設(shè)備造成損害。

 

6. 靜電法

 

靜電法是利用廢鋁原料中不同材料間的導(dǎo)電性差異，將廢鋁原料置入靜電分選設(shè)備中，不同材料間受力狀態(tài)的不同使物料落下時的軌跡不同，從而將鋁與其他材料分類收集，達(dá)到廢鋁原料的純凈化處理的目標(biāo)。

 

以上工藝方法主要是利用廢鋁原料中不同物質(zhì)之間物理性能的差異來實現(xiàn)材料的分離，可以有效將鋁和其他非鋁雜質(zhì)材料分離開來，目前在實際生產(chǎn)過程中也取得了廣泛的應(yīng)用；但對于物理性能相似的不同化學(xué)成分的鋁合金材料，則無法發(fā)揮其分離作用，不同品質(zhì)的鋁合金種類仍舊混在一起，造成很多優(yōu)質(zhì)鋁合金與普通鋁合金混雜在一起而用于生產(chǎn)低檔次再生鋁產(chǎn)品[9]，造成很大的資源浪費。為了解決這個問題，近年來國外一些機構(gòu)研究與開發(fā)出了許多新工藝方法，試圖解決上述問題。

 

①基于顏色對比的材料分揀方法，其原理是對廢鋁原料進(jìn)行化學(xué)腐蝕，不同成分的合金經(jīng)腐蝕后所呈現(xiàn)出來的顏色不同，這樣即可以通過計算機對原料顆粒的顏色進(jìn)行圖形分析，將不同的材料區(qū)分出來。HVS 公司采用這種技術(shù)能夠?qū)?9% 的鎂與鋁分離。但該工藝在實施過程中對原料表面的光潔程度要求很高，而且受溫度、表面粗糙度、腐蝕時間影響較大，因此需要對廢鋁原料進(jìn)行相對嚴(yán)格的預(yù)處理；另外，該方法的實施需要配備特殊的光源系統(tǒng)和強大的數(shù)據(jù)處理能力，因此設(shè)備價格昂貴。

 

②X射線熒光分析（XRF）、光發(fā)射光譜分析（OES）以及激光誘發(fā)擊穿光譜分析（LIBS）都是將成分分析手段引入到材料分揀領(lǐng)域，使材料的區(qū)分更加精確[11]，只是化學(xué)成分分析的原理有所差異。但無論是哪種技術(shù)，其設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，而且要求廢鋁材料表面必須潔凈。

 

五、建議與展望

 

目前廢鋁再生研究中，廢鋁原料的分選工藝已引起了各生產(chǎn)廠商的極度關(guān)注，很多企業(yè)已經(jīng)具備了磁選、重力分選、風(fēng)選等廢鋁原料預(yù)處理的設(shè)備條件，由于我國廢鋁再生行業(yè)發(fā)展的起點較低，在技術(shù)和資金等方面對廢鋁原料的預(yù)處理支持力度小，因此廢鋁原料的分揀并沒有獲得廣泛的開展，特別是我國的許多中小型企業(yè)，由于起步較晚，對廢鋁分類分離技術(shù)重視不夠，部分企業(yè)仍然采用簡單的人工分選，即使用簡單的磁鐵、鋼銼、錘子、鉗子和鏍絲刀等工具，不僅勞動強度大、成本高、質(zhì)量均勻性差，而且廢鋁原料的分揀效率很低，無法形成再生鋁高性能產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，嚴(yán)重制約了我國再生鋁工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

 

為進(jìn)一步提高廢鋁再生產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)能力與產(chǎn)品質(zhì)量，廢鋁原料的分類收集、分類處理與加工技術(shù)需要高科技的強力支持，應(yīng)與機械設(shè)計、化學(xué)技術(shù)、物理技術(shù)、新型材料技術(shù)等密切結(jié)合，形成一個技術(shù)互補性較強的產(chǎn)業(yè)鏈。實際上，我國再生鋁行業(yè)在利用磁選、重力分選、風(fēng)選等工藝裝備分選廢鋁原料已取得一定的成效，可以將廢鋁原料的鐵、銅、鋅等非鋁材料部分分離出去，盡管還存在一定的差距，但隨著大家對廢鋁原料預(yù)處理重視程度的提高，這些物理分選工藝水平會逐漸得到提高，在廢鋁原料預(yù)處理方面發(fā)揮越來越重要的作用。但對廢鋁原料中鋁合金原料的分選還未取得進(jìn)步，特別是國外XRF、LIBS等通過成分掃描進(jìn)行材料分類的技術(shù)與裝備，由于設(shè)備昂貴、工藝適應(yīng)性差，在國內(nèi)并未獲得應(yīng)用。因此，有必要結(jié)合我國廢鋁再生行業(yè)的特點，開展工藝簡單、設(shè)備投入不大且具備鋁合金原料分類功能或原料處理的技術(shù)研發(fā)工作，對廢鋁再生質(zhì)量的提高將是非常實用的。

 

如由再生鋁材料研究專家袁曉東擔(dān)綱設(shè)計并樣機制造的再生廢鋁綜合預(yù)處理成套設(shè)備，采用了二步法氣化熔融技術(shù)，將再生鋁原料在還原性氣氛和一定溫度的條件下進(jìn)行氣化，可回收潔凈的鋁金屬；而其中的可燃、易燃有機物則變成可燃?xì)怏w作為燃料回用，同時還可以對可燃、有毒氣體繼續(xù)進(jìn)一步熱解，扼制了二惡英的形成，減輕了對環(huán)境的危害。

 

如何既有效實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、低成本、連續(xù)高效地將非鋁物質(zhì)從廢鋁原料中分離出去，同時盡可能實現(xiàn)不同鋁合金材料的細(xì)致分類，減輕熔煉過程中成分調(diào)整的難度，提高廢鋁再生過程的工藝性能，獲得化學(xué)成分符合要求、具有良好組織形態(tài)的高品質(zhì)再生鋁產(chǎn)品，實現(xiàn)綠色循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，將是未來重點關(guān)注的方向。