隨著科技的發(fā)展以及人類生活水平的不斷提高,人們對鋁合金制品的需求逐年增加,鋁合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展;但由于鋁資源開采的盲目性,我國鋁礦產(chǎn)資源已經(jīng)日漸匱乏,因此如何對廢鋁資源開展有效的綜合利用,已引起鋁加工行業(yè)的高度重視.與原鋁生產(chǎn)相比,廢鋁再生可節(jié)省大量水電等能源,降低生產(chǎn)成本,減輕對環(huán)境的污染,因此廢鋁再生是綠色循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的重要體現(xiàn).目前我國廢鋁再生產(chǎn)量已經(jīng)超過了500萬t,但也僅占鋁生產(chǎn)總量的20%左右;參照《有色金屬工業(yè)中長期科技發(fā)展規(guī)劃(2006-2020年)》制定的發(fā)展目標(biāo),到2020年,我國再生鋁產(chǎn)量在鋁總產(chǎn)量中的比例要求提高到40%.如果能實現(xiàn)這個目標(biāo),則每年可以節(jié)約數(shù)千億千瓦時的電能消耗、減少數(shù)千萬噸的廢水以及上億噸廢渣的排放.可見,推動廢鋁再生業(yè)的發(fā)展對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)約資源及能源、改善自然環(huán)境等有著特別重要的意義.

    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、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.