王 劍，徐正權(quán)

(西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326)

0 前言

3104合金屬Al-Mn-Mg系不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、易深沖成形等優(yōu)點(diǎn)，是制作易拉罐罐體的理想鋁合金材料[1]。

據(jù)調(diào)研，目前我國(guó)廢鋁易拉罐消費(fèi)量達(dá)到230億只，與通過(guò)電解鋁礦石生產(chǎn)3004/3104 鋁合金相比，將再生鋁用于生產(chǎn)易拉罐只需消耗3%的能源，排放5%的CO2，造成3%的水體污染。而且鋁制易拉罐材料一般由3104 合金（罐身）、5052H19(罐蓋)、5182H19等[2]等級(jí)較高的合金組成，具有較高的再利用價(jià)值。

由于再生鋁具有上述優(yōu)點(diǎn)，世界各國(guó)都在積極發(fā)展廢鋁再生產(chǎn)業(yè)，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的再生鋁已經(jīng)逐漸成為本國(guó)鋁工業(yè)的主體[3]，且再生鋁產(chǎn)品高檔化趨勢(shì)明顯。預(yù)計(jì)到2030 年，將會(huì)有15%～20%的再生鋁應(yīng)用于高端科技領(lǐng)域[4]。而我國(guó)由于沒(méi)有系統(tǒng)化和規(guī)范化的回收渠道和體系，廢料混雜，再生難度大，企業(yè)經(jīng)營(yíng)分散，工藝落后，生產(chǎn)效率低下，燒損高，廢料大部分都降級(jí)使用，成為附加值較低的鑄鋁合金。2015 年全世界生產(chǎn)的鋁罐帶材的平均再生鋁含量為50.6%，而我國(guó)目前在3104合金罐身料上幾乎不使用再生鋁原料。2015年3月末諾貝麗斯鋁業(yè)公司稱(chēng)：諾貝麗斯鋁業(yè)公司新近研制的埃弗再生鋁合金（EvercycleTM）是一種再生鋁含量很高的鋁合金，它由90%舊廢料（從社會(huì)上回收的廢舊鋁罐）與10%新廢料（罐料軋制廠與制罐廠的工藝廢料）熔煉而成，沒(méi)有用重熔用鋁錠與原鋁[5]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年中國(guó)3104 合金罐身料產(chǎn)量已超60 萬(wàn)噸，如何實(shí)現(xiàn)廢舊鋁易拉罐的保級(jí)再利用、優(yōu)化完善廢鋁再生技術(shù)、開(kāi)發(fā)相應(yīng)的熔鑄及軋制加工技術(shù)已成為熱門(mén)課題。

1 工藝技術(shù)研究

1.1 合金鋁水的技術(shù)要求

1.1.1 化學(xué)成分

由于鋁制易拉罐一般由3104、5052 或5182 等合金組成，廢舊易拉罐熔化成合金鋁水后，為保證其最終化學(xué)成分符合3104 合金標(biāo)準(zhǔn)要求，需對(duì)合金鋁水的化學(xué)成分作出要求，如表1所示。

表1 合金鋁水化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

通常，合金鋁水中Si、Fe、Zn元素成分含量偏高，這主要是由于廢舊易拉罐中含有Si、Fe等雜質(zhì)造成的。為便于成分控制，最好搭配使用一定量的純鋁錠。

1.1.2 溫度

熔煉溫度越高，合金化程度越完全，但同時(shí)熔體氧化吸氣的傾向也越大，鑄錠形成粗晶組織和裂紋的傾向性也越大，所以合金鋁水的溫度控制在700～760℃為宜[6]。

1.1.3 清潔度

清潔度是合金鋁水質(zhì)量要求的一項(xiàng)重要指標(biāo)。再生鋁在進(jìn)行前處理時(shí)必須將塑料、鐵件、泥土等雜質(zhì)處理干凈，整個(gè)熔化過(guò)程中必須采用精煉劑等手段進(jìn)行除渣，并將熔體表面渣子扒干凈。

1.1.4 針孔度

合金鋁水試樣的針孔度是判定其氫氣含量高低的關(guān)鍵指標(biāo)。再生鋁在前處理過(guò)程中烘干的越徹底，精煉除氣越徹底，熔體中的氫含量便會(huì)越低。通常要求同時(shí)進(jìn)行爐內(nèi)精煉和湯包精煉，合金鋁水的針孔度要求≤0.3%（氫含量相當(dāng)于0.2 mL/100 g·Al）。

1.2 合金鋁水的使用工藝

1.2.1 用量

車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)為2+2+1配置（2臺(tái)75 t熔煉爐，2臺(tái)75 t保溫爐，1臺(tái)鑄造機(jī)），每爐料鑄造及準(zhǔn)備時(shí)間需要4 h 左右，1 條生產(chǎn)線(xiàn)1 天可生產(chǎn)6 爐料左右，所以熔煉爐加料及熔化時(shí)間控制在7 h 左右比較合理。熔化過(guò)快或過(guò)慢均會(huì)造成上、下工序銜接不流暢。對(duì)于該配置的生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，3104 合金鋁水用量控制在30%～50%熔化效率比較合適。

1.2.2 加入時(shí)機(jī)

3104 合金鋁水在爐料為半固態(tài)時(shí)加入時(shí)，燒損及天然氣單耗最低。與不使用合金鋁水相比，可以降低金屬燒損約0.5%，縮短熔化時(shí)間1/3，減少天然氣消耗約15%。合金鋁水在不同時(shí)機(jī)下加入時(shí)的燒損和天然氣單耗情況如表2所示。

表2 合金鋁水在不同時(shí)機(jī)下加入時(shí)的燒損和天然氣單耗

1.2.3 加入溫度

合金鋁水加入溫度過(guò)高，容易造成晶粒及化合物粗大，熔體更容易吸氣和造渣，從而造成材料在用戶(hù)處使用時(shí)斷罐率和針孔率高。經(jīng)多輪試驗(yàn)驗(yàn)證，3104 合金鋁水加入溫度控制在700～760 ℃為宜。

2 鑄錠質(zhì)量狀況

2.1 氫含量

鑄造過(guò)程中，使用ABB公司的AlSCAN測(cè)氫儀分別測(cè)量了3 組未使用合金鋁水和使用合金鋁水熔次在線(xiàn)除氣裝置前后熔體的液態(tài)氫含量，結(jié)果見(jiàn)圖1 和圖2。合金鋁水在裝入湯包后進(jìn)行了湯包除氣，從除氣前后的測(cè)氫結(jié)果看，使用與未使用合金鋁水熔次除氣前后的氫含量差異不大。

圖1 未使用合金鋁水氫含量

圖2 使用合金鋁水氫含量

2.2 渣含量

利用ABB Prefil 測(cè)渣儀對(duì)使用合金鋁水和不使用合金鋁水熔次在除氣前及深床過(guò)濾前、后分別取了3組試樣，檢測(cè)熔體中的渣含量，結(jié)果見(jiàn)圖3 和圖4。熔體經(jīng)深床過(guò)濾后渣含量在0.01 mm2/kg 左右，完全滿(mǎn)足渣含量標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 未使用合金鋁水渣含量

圖4 未使用合金鋁水渣含量

2.3 晶粒尺寸

在相同鑄造條件下鑄成鑄錠，切除頭尾后，底部切取試片檢測(cè)鑄態(tài)下的晶粒尺寸。從偏光結(jié)果來(lái)看，不論是否使用合金鋁水，鑄錠在心部的晶粒尺寸大于1/4 寬度處的晶粒尺寸，但晶粒大小均達(dá)到了一級(jí)晶粒度標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖5、圖6），而且使用合金鋁水與不使用合金鋁水鑄錠的晶粒尺寸差異不大。

圖5 未使用合金鋁水鑄錠的晶粒尺寸

圖6 使用合金鋁水鑄錠的晶粒尺寸

2.4 化合物

圖7為使用合金鋁水的鑄錠樣品電鏡圖片。從電鏡能譜分析結(jié)果可以看出：晶界上的化合物主要為骨骼狀或長(zhǎng)條狀的灰色Al-Fe-Mn相（見(jiàn)圖7（a））、黑色Al-Mg-Si相（見(jiàn)圖7（b））及少量塊狀或點(diǎn)狀的Al-Fe-Mn-Si相（見(jiàn)圖7（c））。在尺寸和化合物類(lèi)型上與未使用合金鋁水的鑄錠差異不大。

圖7 使用合金鋁水的鑄錠樣品電鏡圖片

經(jīng)過(guò)多輪試制生產(chǎn)，鑄錠通過(guò)熱軋、冷軋、涂膜等工藝生產(chǎn)成成品卷材后，發(fā)往制罐廠家進(jìn)行沖制，卷材平均斷罐量在50×10-6個(gè)以?xún)?nèi)，針孔在5×10-6個(gè)以?xún)?nèi)，完全滿(mǎn)足客戶(hù)的使用要求。

3 結(jié)論

（1）廢舊鋁罐的合金鋁水適用于3104罐料生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量完全滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

（2）使用3104合金鋁水后的生產(chǎn)效率大幅提高，天然氣單耗及燒損降低。

（3）合金鋁水加入溫度控制在700～760 ℃，加入量控制在投料量的30%～50%，在爐料為半熔融態(tài)時(shí)加入最佳。