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重视原料分类处理,提高废铝再生质量
来源: - 2017-11-06 14:14:34 发布人: 长江网采编 http://www.ccmn.cn
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  随着科技的发展以及人类生活水平的不断提高,人们对铝合金制品的需求逐年增加,铝合金材料的应用领域也在不断扩展;但由于铝资源开采的盲目性,我国铝矿产资源已经日渐匮乏,因此如何对废铝资源开展有效的综合利用,已引起铝加工行业的高度重视。与原铝生产相比,废铝再生可节省大量水电等能源,降低生产成本,减轻对环境的污染,因此废铝再生是绿色循环经济发展的重要体现。目前我国废铝再生产量已经超过了500万t,但也仅占铝生产总量的20%左右;参照《有色金属工业中长期科技发展规划(2006-2020年)》制定的发展目标,到2020年,我国再生铝产量在铝总产量中的比例要求提高到40%。如果能实现这个目标,则每年可以节约数千亿千瓦时的电能消耗、减少数千万吨的废水以及上亿吨废渣的排放。可见,推动废铝再生业的发展对发展循环经济、节约资源及能源、改善自然环境等有着特别重要的意义。

一、原料混杂程度高成为再生铝发展的关键性技术难题
  西方发达国家对废铝再生行业的发展极为重视,大多数国家的再生铝产量都要占到整个铝加工总量的比例50%以上。其中德国为50.6%,美国为52.4%,意大利为 75.6%,日本则达到了99.5%。显然,再生铝已成为世界铝工业可持续发展的一种必然趋势。

  废铝再生与原铝生产工艺相比,其最大的特点在于其原料是回收来的废铝零件、生产边角料、建筑铝材、包装用铝、废铝线缆等。于是,废铝再生原料混杂程度较高的问题就凸显出来。目前国内再生铝生产企业的原料主要有2种来源,一是从国外进口的原料,二是通过流通领域回收来的铝合金废料。这些原料经常掺杂着其他金属及非金属夹杂物。①废铝原料来源于不同的使用领域,包含了较为复杂的铝合金系列与牌号,如铸铝以高硅(Si)铝合金为主、建筑型材或结构用铝材大都是以镁(Mg)、Si为主要合金化元素的6XXX系列合金、装饰用铝材大都采用铝(Al)-Mg系合金、电线电缆以及包装用大都为纯铝等,它们往往在收集过程中混杂为一体;②废铝原料的回收渠道各种各样,在回收过程中会受到不同程度污染,又会混入许多非铝物质;③出于产品包装等功能需要,很多铝及其合金制品的表面都喷涂有有机涂料或者漆料等;这种混有各种夹杂物质的原料是无法直接进行熔铸、变形加工等加工过程的。主要原因在于,如果直接将这些原料进行熔炼与铸造,这些废铝元素的大量混入以及有机或无机夹杂物的带入,会发生各种物理和化学反应,不但会造成熔炼过程产生大量的有毒气体,而且会在浇注和凝固过程中卷入基体中,造成气孔、疏松等缺陷的产生;同时也会形成大量的固体夹杂物存在于基体中,致使材料的微观组织和使用性能无法达到预期目标,致使再生铝产品大部分还只能局限于铸锭等初级产品。

  提高废铝再生深加工能力,生产高附加值产品是世界各国共同追求的目标。欲获得高质量的再生铝产品,废铝原料的预处理就成为再生铝生产中非常关键的一个环节,包括原料收集、储存、分类、表面漆膜的处理、非铝元素的去除等。

二、废铝原料的回收与管理体系需要进一步规范
  原料的分类回收是实现原料纯净化的第一个环节。再生铝生产企业的基本要求是能够获得相对纯净的废铝原料,减少大量非铝元素以及有机或无机夹杂物的带入。这就要求在原料回收时即对废铝进行初级分类,进而实现不同类型废铝原料的分区堆放,最终降低废铝再生的工艺难度。我国有些公司的做法是值得借鉴的,如中国最大的铝废料进口商上海新格有色金属有限公司,其原料处理过程自动化程度较高,可以实现所有入厂原料按照铝合金种类等分区存放,并建立了成本建档管理体系。这种有效的原料管理模式确保了产品品质。因此我国再生铝行业的当务之急是建立合理、完整的废旧铝原料回收体系,概括如下:

  ①生产性废铝原料。主要是某一类确定产品生产过程中所产生的废品或残次品、工艺废料如浇冒口等,这些原料中化学成分比较一致,是优质的再生铝原料,应单独回收并提供给对应的专业生产厂商。

  ②对不同使用领域的废铝原料进行分类收集。不同使用领域的废铝原料大都存在较为明显的化学成分与使用性能方面的差异,如铝罐料主要以3003或3104合金为主、电缆导线用铝基本为纯铝、建筑型材主要为6063或6061等,对这些原料进行分类收集与储放,分别应用于同类型铝合金制品的再生,将会大大降低原料处理的难度,提高合金的利用率。

  ③对镶嵌件的分类回收。废旧机器或设备的铝合金零部件中,存在一些铝与钢、铜、塑料等通过镶嵌组合成为零件的现象,这些零件由于铝与其他非铝金属结合较为紧密,通过常规的磁选、风选等措施是无法实现非铝合金的分离,而且由于非铝合金的相对比例较大,所以该类废铝原料应该单独收集,集中处理。

  发达国家已经形成了完善的废杂铝收集与管理系统,它们通过国家行政立法、规范行业行为以及制造业与流通业的物流管理体系等,提高了废铝原料分类收集的效率。如美国每年50多万t的易拉罐生产原料,大都来自于制罐厂的边角废料和回收旧罐。另外,通过开发连续熔炼和处理工艺等创新技术使低品位废杂铝升级,提高了废铝再生生产体系的原料纯净度。

  但受限于各种客观条件,我国并没有形成科学的回收体系。资源富集程度较低,影响了对废铝原料的利用;很多废旧物资回收加工企业还在采用非常原始的方法,根本没有创新意识或者缺乏资金能力去引进或采用新技术、新工艺、新设备,阻碍了废铝原料回收利用的发展进程。因此,建立完整的回收、运输、处理、利用废旧商品回收体系已刻不容缓。

三、重视去除废铝原料表面有机物夹杂的工艺技术
  废铝原料收集过程中对质量要求较低,回收企业的存储条件有限等原因,造成经常有大量的油泥污垢等附着于废铝原料表面,某些产品的表面还发生了严重的锈蚀;这些污垢和锈蚀往往是原料熔炼时产生大量氧化夹杂的主要来源,会大大降低再生铝产品质量;铝合金制品为了达到产品标识、表面保护、美观等目的,往往会在其表面喷涂各种涂料或包覆各种有机或无机材料等,一旦这些物质被带入到原料的熔炼过程中,会造成熔体严重吸气,凝固过程中易产生气孔、疏松等缺陷;而且无机物的混入会产生一定数量的非金属夹杂,使材料的性能品质下降[。因此,为提高废铝原料的熔炼质量,最好在原料入炉前将废铝原料表面的漆膜及油污等除去。

  废铝表面的油污可以用洗涤剂等进行去除,难点在于表面漆膜的清除。表面漆层是以有机烃类为黏合剂、以二氧化钛(TiO2)为主要成分的化工漆料,含有TiO2、铁(Fe)、钛(Ti)、氧化铝(Al2O3)、三氧化硅(SiO3)等无机物,它们与铝合金基体材料结合紧密,难以通过清洗等方法去除。目前国内外主要采用干法、湿法以及机械打磨的形式来去除表面漆膜。

1.回转窑法
  回转窑法是常用的表面漆膜干法处理工艺,将废铝原料装入到回转窑中,回转窑以一定速度旋转并进行加热,表面漆层在较高温度下逐渐炭化;在物料的相互撞击与摩擦作用下,炭化物从铝合金表面脱落。其优点是热效率高,但可能会造成铝的烧损。

2.湿法处理
  湿法处理是将废铝原料浸泡于化学溶剂中,利用有机物“相似相溶”原理,表面漆膜内的有机粘结剂将溶解于有机溶剂中,造成漆膜从铝合金基体表面脱落。其优点是不损伤铝基体,但会产生二次污染。出于避免二次污染的目的,有学者研究了冰射流方法,取得了较好的效果。

3.机械打磨
  机械打磨是较为原始的工艺方法,即用砂纸打磨的方法除去易拉罐表面的漆层,但打磨处理并不能完全除掉漆层,而且打磨过程也会造成内层铝合金的损耗。

  可以看出,去除废铝表面的漆膜等有机和无机物的工艺研究与技术创新的目标是,不产生新的污染,同时又要不损伤内层铝合金,提高铝合金的收得率。

四、废铝原料的分选处理是提高废铝再生质量的关键
  对废杂铝原料实施分捡,主要是最大限度地减少非铝金属元素的混入和非金属杂质去除,通过采用不同类型的原料分选工艺以及相应的自动化程度高、分拣效率高的机械装备,实现影响再生铝质量的非铝金属及非金属夹杂物等从原料中有效分离除去,最好达到废铝原料能够按主要合金元素把废铝原料进行区分,如把原料中的铝镁合金、铝铜合金、铝锌合金、铝硅合金等主要铝合金种类区分开,并分别存放与供给,可以大大提高再生铝生产的效率。

  西方发达国家,如美国、日本、德国、澳大利亚等,对铝废料预处理方面的技术研究和应用是极为重视的,目前已形成了铝废料预处理的较为完善的工艺技术、设备制造与智能控制系统[8]。目前已投入应用的废杂铝预处理技术主要包括以下6种:

1.风选法
  风选法主要用于分离废铝原料中质量轻、粉末状等物资,如废纸、废塑料和尘土等。其工艺原理为:利用鼓风机、空压机等产生一定压力的风,将废铝原料中中密度较小的废橡胶、废塑料、废木头、废纸等一些杂质吹走,去除废铝原料中的非铝夹杂物。该方法可以高效率地分离出大部分轻质废料,但必须配备相应的环保设施,以避免工艺实施对环境的危害。

2.电磁分离
  电磁分离是一种主要用于分离废铝中的废钢铁等磁性材料的工艺,在国外应用较广泛。其设备比较简单,磁源来自电磁铁或永磁铁,大都采用十字交叉法。即将废铝原料置于横向运动的传送带上,进入磁场后废钢铁被吸起由纵向带带走,经过一定距离离开磁场后废钢铁材料失去磁力而落入特定的收集箱内,进而实现废钢铁材料从废铝原料中分离出去的目的。磁选法的工艺简单、投资少,但其工艺要求较高,废铝料的体积不宜过大。

  对以机械结合形式构成的铝钢组合零部件,则需要先进行手工拆解和分选,直接采用电磁法很难分开。针对含有其他非铝元素的镶嵌件或难以分离的组合体,目前主要为将废铝原料在专用的熔化炉中加热,严格控制熔化温度与静置时间,利用熔点差异和比重不同等将废钢铁等材料过滤出去。

3.浮选分离
  浮选分离的原理是利用密度、溶解性等物理性能将非铝物质排除出去,主要有湿式和干式2种工艺。湿式浮选法,即采用水或有机溶剂等液体介质,将非溶解性材料中密度小的物质浮在水面,密度大于水的物质沉于水中。此方法可以分离密度小于水的轻质物质,简便易行。但投资很大,同时受废料形状的限制,采用的主要设备是螺旋式的推进器。干式浮选采用干砂等固体为介质,利用高压空气产生对流作用,而带走其中的轻质材料;但合适的流化介质及自动地完成分离还还处于研究阶段。

4.抛物分选
  抛物分选法的原理为,采用不同的工艺方式如高速传送带等将混杂的废料抛出,利用不同金属间密度不同、质量差异等,将不同的材料抛出至不同的落点,从而达到将不同材料分离的效果。根据此种原理已设计制造出相应的设备并已在国外投入使用,但该设备结构复杂、价格昂贵等原因限制了应用。

5.涡流分离
  涡流分离技术与抛物分选的原理是非常相似的,两者之间的最大差别在于涡流分离是在交变磁场中,利用废铝原料中不同金属间的电导率和密度不同,磁场对不同金属会产生不同的排斥力,而将这些原料的颗粒平抛至不同的距离。该方法的原料分离能力较强,可以将铝废料与非金属如塑料、玻璃、橡胶等进行分离,但存在的问题与抛物分选工艺也很相似,主要体现在设备昂贵,而且由于设备中装有永久磁体,必须预先对原料进行磁选除铁,以避免铁磁性物质产生涡流热效应而对设备造成损害。

6. 静电法
  静电法是利用废铝原料中不同材料间的导电性差异,将废铝原料置入静电分选设备中,不同材料间受力状态的不同使物料落下时的轨迹不同,从而将铝与其他材料分类收集,达到废铝原料的纯净化处理的目标。

  以上工艺方法主要是利用废铝原料中不同物质之间物理性能的差异来实现材料的分离,可以有效将铝和其他非铝杂质材料分离开来,目前在实际生产过程中也取得了广泛的应用;但对于物理性能相似的不同化学成分的铝合金材料,则无法发挥其分离作用,不同品质的铝合金种类仍旧混在一起,造成很多优质铝合金与普通铝合金混杂在一起而用于生产低档次再生铝产品[9],造成很大的资源浪费。为了解决这个问题,近年来国外一些机构研究与开发出了许多新工艺方法,试图解决上述问题。

  ①基于颜色对比的材料分拣方法,其原理是对废铝原料进行化学腐蚀,不同成分的合金经腐蚀后所呈现出来的颜色不同,这样即可以通过计算机对原料颗粒的颜色进行图形分析,将不同的材料区分出来。HVS 公司采用这种技术能够将99% 的镁与铝分离。但该工艺在实施过程中对原料表面的光洁程度要求很高,而且受温度、表面粗糙度、腐蚀时间影响较大,因此需要对废铝原料进行相对严格的预处理;另外,该方法的实施需要配备特殊的光源系统和强大的数据处理能力,因此设备价格昂贵。

  ②X射线荧光分析(XRF)、光发射光谱分析(OES)以及激光诱发击穿光谱分析(LIBS)都是将成分分析手段引入到材料分拣领域,使材料的区分更加精确[11],只是化学成分分析的原理有所差异。但无论是哪种技术,其设备复杂、价格昂贵,而且要求废铝材料表面必须洁净。

五、建议与展望
  目前废铝再生研究中,废铝原料的分选工艺已引起了各生产厂商的极度关注,很多企业已经具备了磁选、重力分选、风选等废铝原料预处理的设备条件,由于我国废铝再生行业发展的起点较低,在技术和资金等方面对废铝原料的预处理支持力度小,因此废铝原料的分拣并没有获得广泛的开展,特别是我国的许多中小型企业,由于起步较晚,对废铝分类分离技术重视不够,部分企业仍然采用简单的人工分选,即使用简单的磁铁、钢锉、锤子、钳子和镙丝刀等工具,不仅劳动强度大、成本高、质量均匀性差,而且废铝原料的分拣效率很低,无法形成再生铝高性能产品的生产能力,严重制约了我国再生铝工业的进一步发展。

  为进一步提高废铝再生产业的生产能力与产品质量,废铝原料的分类收集、分类处理与加工技术需要高科技的强力支持,应与机械设计、化学技术、物理技术、新型材料技术等密切结合,形成一个技术互补性较强的产业链。实际上,我国再生铝行业在利用磁选、重力分选、风选等工艺装备分选废铝原料已取得一定的成效,可以将废铝原料的铁、铜、锌等非铝材料部分分离出去,尽管还存在一定的差距,但随着大家对废铝原料预处理重视程度的提高,这些物理分选工艺水平会逐渐得到提高,在废铝原料预处理方面发挥越来越重要的作用。但对废铝原料中铝合金原料的分选还未取得进步,特别是国外XRF、LIBS等通过成分扫描进行材料分类的技术与装备,由于设备昂贵、工艺适应性差,在国内并未获得应用。因此,有必要结合我国废铝再生行业的特点,开展工艺简单、设备投入不大且具备铝合金原料分类功能或原料处理的技术研发工作,对废铝再生质量的提高将是非常实用的。

  如由再生铝材料研究专家袁晓东担纲设计并样机制造的再生废铝综合预处理成套设备,采用了二步法气化熔融技术,将再生铝原料在还原性气氛和一定温度的条件下进行气化,可回收洁净的铝金属;而其中的可燃、易燃有机物则变成可燃气体作为燃料回用,同时还可以对可燃、有毒气体继续进一步热解,扼制了二恶英的形成,减轻了对环境的危害。

  如何既有效实现快速、准确、低成本、连续高效地将非铝物质从废铝原料中分离出去,同时尽可能实现不同铝合金材料的细致分类,减轻熔炼过程中成分调整的难度,提高废铝再生过程的工艺性能,获得化学成分符合要求、具有良好组织形态的高品质再生铝产品,实现绿色循环经济发展,将是未来重点关注的方向。

镇江技师学院机电工程系
费有静


本文Tags: 铝合金 制造业 锌合金

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