再生鋁的熔煉技術(shù)探討范文
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《再生資源與循環(huán)經(jīng)濟雜志》2015年第四期
1.1加料井式熔煉爐此種熔煉爐也是一種雙室反射爐，由構(gòu)成一個循環(huán)系統(tǒng)的熔煉爐、加料井及磁力泵共同組成。再生鋁熔煉過程中，持續(xù)加熱加料井中的廢鋁料，被過熱的鋁液熔化，并在磁力泵的作用下進入反射爐，如此反復進行，便可達到熔煉的目的。其具有金屬燒損小，回收率高的優(yōu)點。此種熔煉爐適合處理碎的廢鋁料，尤其適用于鋁屑的處理。
1.2旋轉(zhuǎn)式反射爐由于在生產(chǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)爐的爐體可以旋轉(zhuǎn)360°，因此熱效率大大提高。其還具有傳熱速度快，可以基本上免去攪拌操作的優(yōu)點。除此之外，熔融的鋁液與耐火材料是均勻接觸的，避免了對爐壁的不均勻腐蝕，增加了爐子的使用壽命。其缺點是使用的燃料必須是液體或氣體。
1.3落差式反射爐落差式反射爐由相互通聯(lián)的熔化爐和熔煉爐構(gòu)成，兩者存在一定的位差，其又被稱作子母爐。落差式反射爐是一種比較適用的再生鋁熔煉爐，特別適用于含鐵高的廢鋁料的熔煉。由于熔化爐只負責廢鋁料的熔化，在整個熔煉過程中可以杜絕鐵對鋁溶液的污染，提高了熔體質(zhì)量。在使用過程中，為了減少鐵與其他雜質(zhì)元素的溶入，要盡量縮短鋁溶液在爐內(nèi)的停留時間，因此當爐料熔化之后，要盡快將溶液放出。
1.4帶有電磁攪拌系統(tǒng)的反射爐電磁攪拌系統(tǒng)是由英國EMP技術(shù)公司在20世紀90年代中期研發(fā)的，可用于各種反射爐和靜置爐。其優(yōu)點是：電磁泵堅固結(jié)實，壽命長；金屬的燒損率降低，廢鋁料的回收率明顯提高；鋁熔體的化學成分更加均勻。同時使用電磁攪拌系統(tǒng)，可以減輕工人的勞動強度，降低產(chǎn)生的爐渣量，凈化車間環(huán)境。
2熔煉過程中雜質(zhì)元素的去除
再生鋁與原鋁相比，其含有的雜質(zhì)元素較多，主要有Fe，Mg，Zn，Si，Cu，Mn等。由于雜質(zhì)元素的存在會使再生鋁的性能降低，大部分鋁合金被降級使用。因此研究再生鋁生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)元素的去除，具有十分重要的實用價值。
2.1Mg雜質(zhì)的去除方法鎂可以提高鋁合金的強度，但是過多的鎂會使鋁合金產(chǎn)生應力腐蝕和焊接裂紋。與其他雜質(zhì)元素相比，Mg雜質(zhì)的去除更加容易。目前，鎂的去除方法主要有以下幾種。
2.1.1自然氧化法在高溫下鎂的親氧性比鋁更高，生成的氧化鎂可以以熔渣的形式去除。這種除鎂方法工藝比較簡單，操作容易，但是在除鎂的同時，鋁或多或少也會與氧氣發(fā)生反應，加大了鋁的燒損量。
2.1.2減壓蒸餾法利用鎂在高溫下容易揮發(fā)的特點，通過降低壓力，加劇鎂的揮發(fā)，從而實現(xiàn)鎂與鋁的分離。
2.1.3添加熔劑法包括除鎂劑除鎂、冰晶石除鎂和添加SiO2除鎂等方法。
2.1.4通入氣體法在高溫條件下，氯氣可以和鎂發(fā)生反應，生成密度較小的MgCl2，并上浮到鋁液表面，可以以熔渣的形式去除。同時氯氣還可以與氫氣和鈉發(fā)生反應，對氧化鋁也有分解作用，因此具有良好的除氣、除渣和除鈉作用。但是由于氯氣有毒，會對環(huán)境造成污染，使設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，并且還會使鑄錠生成粗大晶粒。
2.1.5吸附法此種方法是美國礦務(wù)局的科學家研制成功的，是一種更安全、更清潔的新的除鎂工藝。其原理是將一種特制的鈦化鋰化合物捕集劑裝置放入熔融的廢鋁中，從而捕集熔液中的鎂離子。
2.2Zn雜質(zhì)的去除方法當Zn以雜質(zhì)的形式存在于鋁合金中時，會造成鋁合金焊接性能的降低，去除再生鋁中Zn雜質(zhì)的方法有以下幾種。
2.2.1攪拌法攪拌法除Zn的原理是：通過用工具直接攪拌鋁熔體，促進氧氣卷入熔體中，Zn被氧化，從而可達到除Zn的目的。但是使用這種方法除Zn效果不明顯，不僅會造成Al和其他元素大量的燒損，還會使熔體吸氣，導致夾雜的大量產(chǎn)生。
2.2.2沉淀法其除Zn原理是：鋅的密度比鋁液中其他有用元素大，若對鋁液采取長時間靜置，則密度較大的鋅會沉在爐底。其缺點是除鋅的效果受靜置時間及熔體的溫度影響較大，而長時間的保溫會消耗大量的能量，同時由于銅等有用的重金屬也被除去，需要補加這些元素。
2.2.3真空蒸餾法
2.3Fe元素的去除方法目前主要通過兩種方法來減輕或降低鐵對鋁合金的有害影響：一是通過一定措施降低鋁熔體中的鐵含量；二是通過采取熔體過熱、提高冷卻速度、添加變質(zhì)劑或中和劑等手段來改變鐵相在鋁合金中的組織形貌[8]。目前，再生鋁熔煉過程中，F(xiàn)e的去除方法主要有稀釋法、重力沉降法、熔劑法、離心去除法、電磁分離法及復合凈化法等。
2.3.1稀釋法其原理是將純鋁或含鐵量較低的鋁錠加入含鐵量較高的鋁熔體中，從而使原鋁合金中的含鐵量降低。此種方法雖然可以使熔液中Fe的含量降低，但會浪費材料，增加成本，故一般不推薦使用。
2.3.2重力沉降法此種方法是最簡單的去除Fe的方法，其原理是：在液相線溫度以上很小的范圍內(nèi)保溫靜置一定時間，由于富鐵化合物密度比熔體密度大，在重力作用下，鐵相沉降到爐子底部，從而使上層鋁液得到凈化。其缺點是鐵相沉降后，從上到下其濃度呈梯度分布，因此很難徹底將鐵相與鋁熔體分離，造成鋁料的大量浪費。
2.3.3熔劑法除鐵一種為加錳法除鐵，一種為加硼法除鐵。工業(yè)上主要有兩種加錳方法：直接加入錳單質(zhì)和以化合物的方式加入錳。硼能極大影響鐵在鋁中的存在形式及分布狀態(tài)，但是加入硼砂或氧化硼會影響鋁熔體的質(zhì)量，因此急需尋找一種既可以去除鋁熔體中的鐵元素，又不破壞鋁熔體質(zhì)量的復合熔劑。
2.3.4離心去除法離心去除法的原理是：由于液—固相之間存在一定的密度差，在離心力的作用下，比液相重的固體可以集中到分離器外壁。離心分離法的優(yōu)點是施加在鐵相上的離心力可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速進行改變，速度比重力除鐵法快。
2.3.5電磁去除法這種除鐵方法的原理是：通過合金化處理，使富鐵相在液態(tài)鋁熔體中析出，由于初生的富鐵相在導電性和電磁性上與熔體存在差異，在電磁場的作用下，其與熔體有著不同的運動規(guī)律。通過對鋁熔體進行連續(xù)電磁過濾法處理，這樣便可達到去除富鐵相的目的。
2.3.6復合凈化法主要是將含有Cr，Mn，Zr，Ni這4種元素的添加劑加入到富鐵熔體中，對其進行處理，形成多元富鐵相，這些多元富鐵化合物會隨著溫度的降低而長大并沉降。再用泡沫陶瓷過濾器對沉降后的熔體進行過濾，將未沉降的小富鐵顆粒除去。可見，采用這種復合凈化的方法可有效去除鋁熔體中的Fe。
3熔煉過程中的除氣工藝
3.1氣泡浮游法除氣其原理是在鋁液中通入某種不含氫的氣體產(chǎn)生氣泡，這些氣泡在上浮過程中能夠?qū)⑷芙庠阡X液中的氫帶出，逸入大氣。氣泡浮游法分為吹氣精煉法和氯鹽或氯化物處理法。吹氣精煉法是指將不溶于鋁熔體的惰性氣體或活性氣體吹入鋁液中，常用的有吹Cl2和吹N2凈化法。向鋁熔體中通入惰性氣體、氮氣后，會有氣泡產(chǎn)生，在分壓差的作用下，熔體中的氫通過擴散進入這些氣泡，并隨著氣泡上浮、排出，以此達到除氣的目的。除此之外，熔體中的夾雜物也能在氣泡上浮的過程中被吸附，從而被除去。
3.2真空處理法此種除氣方法是將熔體放入有一定真空度且密閉的保溫爐內(nèi)，由于氫在熔體和密閉容器中存在分壓差，熔體中的氫就會不斷生成氫氣，上浮后溢出熔體，從而被除去。真空處理法是去除鋁熔體中含有的氫的最高效的方法，但是其需要真空密閉設(shè)備，因此價格昂貴，而且此法還會使熔體產(chǎn)生很大的溫度損失，且不具備較強的除渣能力。
3.3超聲波除氣鋁液中含有的氣體也可采用超聲波處理進行有效地去除。超聲波除氣法發(fā)展于20世紀90年代，是一種新的鋁熔體凈化技術(shù)。其原理是向鋁液中通入彈性波，引起“空穴”現(xiàn)象，使鋁液結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，從而產(chǎn)生許多顯微真空穴，溶于鋁液中的氫就會迅速地進入這些空穴中，成為氣泡核心，繼續(xù)長大后，以氣泡狀逸出鋁液，從而達到除氫效果。
4再生鋁的凈化精煉工藝
凈化精煉是再生鋁熔煉時十分重要的工序，最常用的有粉體噴吹和惰性氣體凈化處理法。目前最常用的精煉劑為氯鹽和氟鹽等，也可以采用Cl2或C2Cl6。這些精煉劑雖然具有較好的凈化精煉效果，但產(chǎn)生的AlCl3，HCl等副產(chǎn)物會對人體、環(huán)境及設(shè)備產(chǎn)生很大的損害。而精煉劑若選用N2，Ar等惰性氣體，凈化效果卻不是很好。目前比較先進的技術(shù)是采用稀土合金對再生鋁進行變質(zhì)、細化和精煉，充分運用稀土元素與鋁熔體的相互作用，從而實現(xiàn)對鋁熔體的凈化、精煉及變質(zhì)的一體化處理。此種精煉方法，簡潔高效，能夠有效地改善再生鋁的冶金質(zhì)量，同時在處理的過程中不會伴隨有害廢氣和其他副產(chǎn)品的生成。此外，采用同時使用兩種精煉工藝的聯(lián)合精煉法，比如氯鹽-過濾、吹氬-熔劑這兩種聯(lián)合精煉法的效果均比單一精煉更好。
5結(jié)語
我國再生鋁行業(yè)雖然具有廣闊的發(fā)展前景，但同時也存在著巨大的挑戰(zhàn)：我國無論在廢鋁的預處理，還是在熔煉-鑄造以及技術(shù)研發(fā)等方面都與發(fā)達國家存在著巨大的差距。由于再生鋁的原材料主要是一些廢雜鋁，除了在熔化之前采取各種預處理手段，以消除雜質(zhì)、外來元素等進入熔體外，如何通過熔體凈化、提純等技術(shù)以降低雜質(zhì)元素及某些合金元素的含量，從而使化學成分滿足目標產(chǎn)品的要求，是再生鋁應用的一大難題。因此要想獲得高端再生鋁產(chǎn)品，必須大力開展廢鋁的高效分揀、高回收率熔煉、雜質(zhì)元素分離及熔體凈化等技術(shù)的研究。
作者：王剛高安江曲信磊張敏單位：叢林集團有限公司山東叢林鋁資源再生研究中心
