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选矿技术
我国再生铝硅合金冶金质量现状分析
来源:上海大学材料学院 (上海 200027)2017-04-122912

 [摘 要]本文介绍了我国再生铝生产工艺流程,全面分析了我国铝再生的冶金质量现状和不足之处,指出了净化变质是制约我国再生铝生产发展的主要障碍,认为要使我国再生铝生产上新台阶,就必须加大技改力度,加大新工艺新设备的投入。
    关键词:铝合金  再生利用  冶金质量
  一、前言
  铝合金以其优异的性能被广泛运用于国民经济的各个行业,目前铝硅合金的生产主要有两种方法:(一)原生铝熔炼配制合金;(二)废旧铝合金回收再利用。废铝再生利用能耗低,能耗只有原生铝生产的5%[1],回收实得率高,可以多次回收利用。而且再生铝生产投资小,收益期短,比原生铝配制生产铝硅合金具有很大的成本和能效优势。近十几年来,我国铝再生行业发展迅猛,其中仅旧易拉罐回收利用率达60%以上,2001年我国废旧铝合金净进口量达到360.019万吨[2]。但从总体来看,我国铝回收技术落后,分选、配料和熔炼工艺简单,很多企业成分检测和质量控制手段尚不完善,有的企业仅以铝锭表面质量与断口形貌来判断产品是否合格,生产冶金质量不稳定,相当部分企业只能生产几种低附加值的铸造铝合金,如副牌ZL102等。本文从我国废铝回收再生产现状出发,对我国铝再生过程中的冶金质量问题和现状作了系统分析,对质量状况改善途径进行了讨论,提出了建议。
  二、铝再生与环保
  随着人们环保意识的加强,学术界和产业界提出了绿色化生产呼吁[3],要求材料在提炼、加工、制造、使用、回收再生过程中排放的气体、液体、固体废弃物对人类及环境无害,或达到容许的排放标准。废铝再生比原铝生产,不仅大大降低能耗,而且消除和减少了电解生产铝过程中的有害气体和废渣的排放。因此,废铝再生提高了社会经济与环境效益,值得推广。
    铝合金的再生有利于保护环境,增加铝资源的利用率。铝再生时,为了减少再生过程中的污染,实现再生生产的绿色化生产原则,上海大学在生产中采用稀土复合精变剂处理技术[4]大量减少了烟气中的有毒物质,烟气通过二级喷淋式吸附塔串接除尘,无需作进一步的处理即可达到烟气排放标准。同时,由于稀土对再生铝的变质与净化作用,大大提高了再生铝的冶金质量及其稳定性,降低了废品率。
  三、我国再生铝生产工艺流程
  再生铝生产工艺流程中有三个中心环节:预处理工序、配料熔化工序、净化变质工序,这三个工序紧紧地与获得再生铝的冶金质量联系在一起。要获得优质再生铝就必须围绕着这三个中心环节,把握住影响冶金质量的基本要素。目前来看,我国的生产企业主要是中小型企业,随着人们质量意识的增强,这三个环节也越来越多地得到人们的重视,当然还应看到还有相当部分企业对此认识尚浮浅,为此,我们将主要从这三个中心环节着手逐个分析我国再生铝的冶金质量。
  四、我国再生铝硅冶金质量现状分析
  1.预处理
  预处理的目的是使废铝按合金成分分类、去水、去油污油漆、去其他金属杂质。一般的工艺过程是:(一)大件和切片,按成分分类→去除其它金属及嵌件→烘烧去油污油漆;(二)粉状物与废碎料,分类→干燥去水→磁选、风选、抛物分选[5]→焙烧;(三)易拉罐,切碎(→焙烧除漆) →压块。发达国家在分选废料时使用专用设备,如采用重力分选和磁选等。我国绝大多数企业基本上采用人工分选,先把易分选已知成分的大件和切片单独堆放,然后再将碎废铝进行人工分选。可以看到,有些小型企业在分选时,并没有考虑到回收废铝的合金成分组成,这样实际上就没有把好冶金质量的第一关,不仅会降低再生铝的品位,而且也浪费了资源。细小粉块状的废铝,由于不能很好的进行分选,成分组成复杂,不加处理就会在一定程度上影响了成品的化学成分,甚至导致整炉报废,因此在一般的情况下谨慎使用,最好是在并块并化验成分后使用。
    废铝原材料的表面处理尤其是对含有油污和油漆的废铝(如易拉罐)的除污,是改善再生铝冶金质量的有效措施之一。我国大型企业在处理油污与油漆时常采用预热烘炉中实现除漆、除油及除水,而大多数再生小企业由于受到自身条件的限制,并没有除去废件表面的油污油漆的处理工序,大都是直接投炉,这既严重污染环境,又容易带氢和杂质进入熔池影响铝锭冶金质量。
    预处理工序是再生铝生产流程的第一环节,把住这个入门第一关的质量对再生铝的品位及冶金质量至关重要。预处理时严控水分,防止砂土、氧化夹杂、有机物质的带入,把握住废料的归类分选,并加大投入,提高预处理水平,实现预处理的规范化是当前我国再生铝生产所需解决的问题之一。[next]
  2.配料熔化
  2.1配料
    配料指按生产产品的成分要求,配制炉料。配料直接关系到能否生产出合格的产品。配料应遵循以下原则:以生产合格的产品为出发点,密切联系本厂的废铝和原料的存货,在已知库存原料及废料成分的前提下优化配制材料的比例。对合金成分范围要求窄的产品,我国企业通常的做法是纯铝锭+合金化原料(中间合金)+成分已知的废铝;对成分范围要求宽的产品,通常采用成分已知的废铝+合金化原料(中间合金),在成分出现偏差时加适量的纯铝锭及中间合金。由于不同的合金元素合金化的方法有所不同,合金化硅时直接向合金中加入结晶硅;合金化铁和铜时,为了减少成本一般直接加铁片、铁丝或紫铜丝,他们来源广泛成本低廉,但它们的熔入时间长,熔入温度高,增加了能耗和铝液的烧损。并由于吸收率和加工工艺相关,往往会导致Fe、Cu含量的波动,因此在对成分控制较严的合金锭生产中往往采用加入A1-Fe和A1-Cu中间合金的方法。实际上,不管是采用中间合金合金化,还是直接使用金属原料,不应只注重眼前利益,要根据成本效益比来综合评价,确定配制什么料。总之,配料时,避免配料错误、把住原材料质量、明确废铝成分,就确保了再生铝化学成分的第一关。
  2.2熔化
    熔化是废铝和原料从固态向液态的转变过程,熔化时熔体与炉内气氛、炉体壁和其它固体相接触,会导致某些物质的熔入或渗入熔体,改变熔体的成分,进而影响再生铝的冶金质量。我国再生铝企业绝大多数使用熔化成本低的反射炉熔炼,少数大中型企业因特殊需求也配置一些电炉和感应炉。反射炉用燃油或煤气作为燃料,成本比电炉低,但在冶金质量的控制方面不如电炉。
    在熔化工序中,熔体二次污染是影响再生铝合金冶金质量的主要原因,因此在生产操作过程中应注意以下几点:首先,干燥炉料、精炼剂、精变剂和所有操作工具,避免带入水。其次,炉料尽可能除去砂子、泥土和其他有害物,生产用的铁工具要涂涂料,避免直接与铝液接触,导致渗铁(铁是严重影响再生铝冶金质量的元素之一)。最后,选择最佳的熔炼温度、浇注温度和浇注时间,尽量避免铝液升温过高,保温时间过长。必要时,在加料前(如在换金属品种和牌号时)还应用纯铝或相应合金洗炉,我国有些企业并没有注意到洗炉对冶金质量影响的重要性。
    在确保了冶金质量的前提后,另一个需要注意的问题是熔炼成本问题,熔化燃油的消耗和铝液的烧损均直接影响成本。在实际生产过程中,通过对炉料预热,可有效降低能耗10%-15%,选用非熔剂类精炼变质剂(如稀土复合精变剂)可以降低烧损[4]。通过以上的措施可以使再生产成本降低,同时也能比较好的保证冶金质量。
  3.净化与变质
  3.1净化
    再生铝锭的含气量及杂质含量直接影响合金铝的力学性能以及工艺性能。净化工序的主要任务是保证再生铝锭的含气量和杂质含量达到用户标准,确保再生铝锭的使用性能。精炼净化常采用大家熟知的浮游法[6]。目前我国企业使用的除渣剂、精炼剂一般以氯盐、硝酸盐为主的精炼剂,这类精炼剂在处理过程中与铝发生反应而产生诸如AlCl3、Cl2等有害气体,这类气体对环境设备及人身健康均带来损害。在当前国家大力提倡可持续发展特别强调环保的形势下,如何寻找绿色无毒无污染的替代品已是我国铝合金熔炼企业迫切需要解决的问题。采用N2或Ar精炼虽无环境问题,但效果欠佳。国外一些企业采用动态真空除气法、SNIF法、Alpur法、MINT法[7]虽均可取得成效,但这些方法通常适用于大型连续铸造的熔炉而不适用于我国90%以上用反射炉生产再生铝的企业。上海大学近年发明的复合精变方法就是针对我国铝生产企业用炉特点而研发的无公害绿色精炼变质方法[4],它不仅解决了再生铝冶金质量问题,而且还确保周边环境质量,是一种值得推广运用的技术。浇注时,在铝锭浇注口前安置过滤网或陶瓷过滤片过虑铝液,进一步净化铝液减少渣和氧化皮带来的产品质量和皱皮问题,该法在我国再生企业中运用的相当广泛。[next]
  3.2变质
  铝硅合金的变质处理是为了改善合金中硅的形态,从而改善铝合金力学性能的工序。目前我国常用的变质剂有以下几种:(一)钠盐变质剂,属于短效变质剂,变质效果好变质失效也快。虽然钠盐能起到变质效果,但由于它破坏了熔液表面致密的氧化膜,导致铝液重新吸气氧化,恶化冶金质量,尤其是对ZLl02。因此生产这类共晶铝合金锭时不主张使用短效变质剂[8]。(二)普通长效变质剂,(1)锶(Sr),常用A1-10%Sr和A1-14%Si-10%Sr中间合金。变质效果可保持6~8小时,它的孕育其较长,孕育时间为40分钟,而且相对价格高,来源困难,限制了它在铝再生中的应用[6]。另外,锶也会使熔液表面氧化膜疏松,使针孔度加重,为了确保冶金质量中针孔度达到标准要求,通常要采用必要的除气措施,不单独使用该类变质剂。(2)钡、碲、锑、钡虽对共晶型Al-Si合金具有长效变质效果,但不少试验证明,这些元素的变质效果受到冷却速率的很大影响,并且精炼剂、除渣剂会强烈降低钡等元素的变质效果[6]。因而在再生铝生产中很少应用。(3)稀土类变质剂,稀土不仅能对硅相有变质作用,而且还在细化a—A1方面有明显的效果,实践还表明经稀土变质后具有变质效果的遗传性[4/9]。可以看出,就以上三类变质剂相比而言,稀土变质剂变质效果好,并有一定的净化作用,还有利于环保,效果稳定,成本合算,是再生铝生产优先选用的变质剂。
  3.3炉前冶金质量控制
    炉前冶金质量控制是确保生产合格铝锭的极为重要的一个环节。通过炉前分析可以避免发生重大的冶金质量事故,挽回一些损失,降低成本。炉前质量检测和控制通常采用两种手段:化学分析法,光谱分析法。前者分析精度高,但其分析时间长,往往跟不上流水线生产的节拍,而且还受到操作者的水平和分析环境的影响。后者,分析速度快捷,使用方便,虽说设备价格昂贵些,但仍运用广泛。在检测产品成分超标和不达标时,必须进行成分调整。在浇注前,除了要保证化学成分外,还有检查针孔度,通常采用宏观腐蚀剂腐蚀后金相统计,有些合资企业配置了熔铝氢气分析仪进行炉前质量控制。当含气量超标时,通入N2、Ar除气直至合格。
  五、结束语
  废铝再生是一个利国利民的事业,也会给企业带来丰厚的利润,然而必须看到,目前我国再生铝企业生产中存在的冶金质量问题正在直接影响着我国再生铝向纵深方向发展。作者对我国再生铝生产工艺流程作了详细调研,具体分析了铝再生过程中的预处理、配料熔化、净化变质三个主要生产环节对我国再生铝合金冶金质量的影响,提出了改善冶金质量的相关建议和方案。值得提及的是在三个主要生产环节中,净化变质环节很大程度上制约了我国企业生产高附加值产品。因此,我们应加大技改和新工艺的投入,突破技术上的颈瓶,淘汰落后工艺和设备,促进我国再生铝行业由现在的数量扩张型向质量效益型转变。相信在不久的将来我国的再生铝行业将会出现环保与效益双赢的局面。
    参考文献:
    [1]成越  对我国再生铝生产的几点看法  中国物质再生,1999,(1):12-13
    [2]王祝堂  中国的再生铝工业  有色金属再生与利用年会,2002:38-53
    [3]钱翰城,吴奇峰,赵建化等  铸造亚共晶铝硅合金绿色化探讨  特种铸造及有色合金,2002(6):1-4
    [4]毛协民,唐多光,张金龙等  绿色铝合金稀土复合精炼变质处理工艺的环境负荷评价  中国有色金属学报,2002(3):4347
    [5]方圆  废杂铝预处理技术现状及讨论冲国资源综合利用,2000,(5):11-13
    [6]陆树荪,顾开道,郑来苏  有色铸造合金及熔炼  西安:国防工业出版社,1983
    [7]高荫恒  铝及铝合金熔液处理技术  轻合金加工技术,1989,(1):1-11
    [8]潘冶,孙国雄,陈健生  第三届中国青年材料科学研讨会论文集,1991,(9)
    [9]唐多光  铸造合金精炼变质的好材料—稀土合金特种铸造及有色金属,1999,(5):42-43

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