隨著科技的發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,鋁合金材料的應用領域也在不斷擴展;但由于鋁資源開采的盲目性,我國鋁礦產資源已經日漸匱乏,因此如何對廢鋁資源開展有效的綜合利用,已引起鋁加工行業的高度重視.與原鋁生產相比,廢鋁再生可節省大量水電等能源,降低生產成本,減輕對環境的污染,因此廢鋁再生是綠色循環經濟發展的重要體現.目前我國廢鋁再生產量已經超過了500萬t,但也僅占鋁生產總量的20%左右;參照《有色金屬工業中長期科技發展規劃(2006-2020年)》制定的發展目標,到2020年,我國再生鋁產量在鋁總產量中的比例要求提高到40%.如果能實現這個目標,則每年可以節約數千億千瓦時的電能消耗、減少數千萬噸的廢水以及上億噸廢渣的排放.可見,推動廢鋁再生業的發展對發展循環經濟、節約資源及能源、改善自然環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展的關鍵性技術難題

    西方發達國家對廢鋁再生行業的發展極為重視,大多數國家的再生鋁產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%,日本則達到了99.5%.顯然,再生鋁已成為世界鋁工業可持續發展的一種必然趨勢.

    廢鋁再生與原鋁生產工藝相比,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.目前國內再生鋁生產企業的原料主要有2種來源,一是從國外進口的原料,二是通過流通領域回收來的鋁合金廢料.這些原料經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域,包含了較為復雜的鋁合金系列與牌號,如鑄鋁以高硅(Si)鋁合金為主、建筑型材或結構用鋁材大都是以鎂(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;③出于產品包裝等功能需要,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的原料是無法直接進行熔鑄、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,會發生各種物理和化學反應,不但會造成熔煉過程產生大量的有毒氣體,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到預期目標,致使再生鋁產品大部分還只能局限于鑄錠等初級產品.

    提高廢鋁再生深加工能力,生產高附加值產品是世界各國共同追求的目標.欲獲得高質量的再生鋁產品,廢鋁原料的預處理就成為再生鋁生產中非常關鍵的一個環節,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一步規范

    原料的分類回收是實現原料純凈化的第一個環節.再生鋁生產企業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行初級分類,進而實現不同類型廢鋁原料的分區堆放,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,可以實現所有入廠原料按照鋁合金種類等分區存放,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品品質.因此我國再生鋁行業的當務之急是建立合理、完整的廢舊鋁原料回收體系,概括如下:

    ①生產性廢鋁原料.主要是某一類確定產品生產過程中所產生的廢品或殘次品、工藝廢料如澆冒口等,這些原料中化學成分比較一致,是優質的再生鋁原料,應單獨回收并提供給對應的專業生產廠商.

    ②對不同使用領域的廢鋁原料進行分類收集.不同使用領域的廢鋁原料大都存在較為明顯的化學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,對這些原料進行分類收集與儲放,分別應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象,這些零件由于鋁與其他非鋁金屬結合較為緊密,通過常規的磁選、風選等措施是無法實現非鋁合金的分離,而且由于非鋁合金的相對比例較大,所以該類廢鋁原料應該單獨收集,集中處理.

    發達國家已經形成了完善的廢雜鋁收集與管理系統,它們通過國家行政立法、規范行業行為以及制造業與流通業的物流管理體系等,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,通過開發連續熔煉和處理工藝等創新技術使低品位廢雜鋁升級,提高了廢鋁再生生產體系的原料純凈度.

    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還在采用非常原始的方法,根本沒有創新意識或者缺乏資金能力去引進或采用新技術、新工藝、新設備,阻礙了廢鋁原料回收利用的發展進程.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

    廢鋁原料收集過程中對質量要求較低,回收企業的存儲條件有限等原因,造成經常有大量的油泥污垢等附著于廢鋁原料表面,某些產品的表面還發生了嚴重的銹蝕;這些污垢和銹蝕往往是原料熔煉時產生大量氧化夾雜的主要來源,會大大降低再生鋁產品質量;鋁合金制品為了達到產品標識、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,一旦這些物質被帶入到原料的熔煉過程中,會造成熔體嚴重吸氣,凝固過程中易產生氣孔、疏松等缺陷;而且無機物的混入會產生一定數量的非金屬夾雜,使材料的性能品質下降[.因此,為提高廢鋁原料的熔煉質量,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合緊密,難以通過清洗等方法去除.目前國內外主要采用干法、濕法以及機械打磨的形式來去除表面漆膜.

    1.回轉窯法

    回轉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窯中,回轉窯以一定速度旋轉并進行加熱,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溶劑中,利用有機物"相似相溶"原理,表面漆膜內的有機粘結劑將溶解于有機溶劑中,造成漆膜從鋁合金基體表面脫落.其優點是不損傷鋁基體,但會產生二次污染.出于避免二次污染的目的,有學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創新的目標是,不產生新的污染,同時又要不損傷內層鋁合金,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量的關鍵

    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去除,通過采用不同類型的原料分選工藝以及相應的自動化程度高、分揀效率高的機械裝備,實現影響再生鋁質量的非鋁金屬及非金屬夾雜物等從原料中有效分離除去,最好達到廢鋁原料能夠按主要合金元素把廢鋁原料進行區分,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分開,并分別存放與供給,可以大大提高再生鋁生產的效率.

    西方發達國家,如美國、日本、德國、澳大利亞等,對鋁廢料預處理方面的技術研究和應用是極為重視的,目前已形成了鋁廢料預處理的較為完善的工藝技術、設備制造與智能控制系統[8].目前已投入應用的廢雜鋁預處理技術主要包括以下6種:

    1.風選法

    風選法主要用于分離廢鋁原料中質量輕、粉末狀等物資,如廢紙、廢塑料和塵土等.其工藝原理為:利用鼓風機、空壓機等產生一定壓力的風,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廢料,但必須配備相應的環保設施,以避免工藝實施對環境的危害.

    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,在國外應用較廣泛.其設備比較簡單,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,進入磁場后廢鋼鐵被吸起由縱向帶帶走,經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,進而實現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.

    對以機械結合形式構成的鋁鋼組合零部件,則需要先進行手工拆解和分選,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,將非溶解性材料中密度小的物質浮在水面,密度大于水的物質沉于水中.此方法可以分離密度小于水的輕質物質,簡便易行.但投資很大,同時受廢料形狀的限制,采用的主要設備是螺旋式的推進器.干式浮選采用干砂等固體為介質,利用高壓空氣產生對流作用,而帶走其中的輕質材料;但合適的流化介質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、質量差異等,將不同的材料拋出至不同的落點,從而達到將不同材料分離的效果.根據此種原理已設計制造出相應的設備并已在國外投入使用,但該設備結構復雜、價格昂貴等原因限制了應用.

    5.渦流分離

    渦流分離技術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率和密度不同,磁場對不同金屬會產生不同的排斥力,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、橡膠等進行分離,但存在的問題與拋物分選工藝也很相似,主要體現在設備昂貴,而且由于設備中裝有永久磁體,必須預先對原料進行磁選除鐵,以避免鐵磁性物質產生渦流熱效應而對設備造成損害.

    6. 靜電法

    靜電法是利用廢鋁原料中不同材料間的導電性差異,將廢鋁原料置入靜電分選設備中,不同材料間受力狀態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,達到廢鋁原料的純凈化處理的目標.

    以上工藝方法主要是利用廢鋁原料中不同物質之間物理性能的差異來實現材料的分離,可以有效將鋁和其他非鋁雜質材料分離開來,目前在實際生產過程中也取得了廣泛的應用;但對于物理性能相似的不同化學成分的鋁合金材料,則無法發揮其分離作用,不同品質的鋁合金種類仍舊混在一起,造成很多優質鋁合金與普通鋁合金混雜在一起而用于生產低檔次再生鋁產品[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研究與開發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行化學腐蝕,不同成分的合金經腐蝕后所呈現出來的顏色不同,這樣即可以通過計算機對原料顆粒的顏色進行圖形分析,將不同的材料區分出來.HVS 公司采用這種技術能夠將99% 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行相對嚴格的預處理;另外,該方法的實施需要配備特殊的光源系統和強大的數據處理能力,因此設備價格昂貴.

    ②X射線熒光分析(XRF)、光發射光譜分析(OES)以及激光誘發擊穿光譜分析(LIBS)都是將成分分析手段引入到材料分揀領域,使材料的區分更加精確[11],只是化學成分分析的原理有所差異.但無論是哪種技術,其設備復雜、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廠商的極度關注,很多企業已經具備了磁選、重力分選、風選等廢鋁原料預處理的設備條件,由于我國廢鋁再生行業發展的起點較低,在技術和資金等方面對廢鋁原料的預處理支持力度小,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,由于起步較晚,對廢鋁分類分離技術重視不夠,部分企業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品的生產能力,嚴重制約了我國再生鋁工業的進一步發展.

    為進一步提高廢鋁再生產業的生產能力與產品質量,廢鋁原料的分類收集、分類處理與加工技術需要高科技的強力支持,應與機械設計、化學技術、物理技術、新型材料技術等密切結合,形成一個技術互補性較強的產業鏈.實際上,我國再生鋁行業在利用磁選、重力分選、風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,在廢鋁原料預處理方面發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步,特別是國外XRF、LIBS等通過成分掃描進行材料分類的技術與裝備,由于設備昂貴、工藝適應性差,在國內并未獲得應用.因此,有必要結合我國廢鋁再生行業的特點,開展工藝簡單、設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研發工作,對廢鋁再生質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綱設計并樣機制造的再生廢鋁綜合預處理成套設備,采用了二步法氣化熔融技術,將再生鋁原料在還原性氣氛和一定溫度的條件下進行氣化,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氣體作為燃料回用,同時還可以對可燃、有毒氣體繼續進一步熱解,扼制了二惡英的形成,減輕了對環境的危害.

    如何既有效實現快速、準確、低成本、連續高效地將非鋁物質從廢鋁原料中分離出去,同時盡可能實現不同鋁合金材料的細致分類,減輕熔煉過程中成分調整的難度,提高廢鋁再生過程的工藝性能,獲得化學成分符合要求、具有良好組織形態的高品質再生鋁產品,實現綠色循環經濟發展,將是未來重點關注的方向.