王國佐，于昊川

（中億豐羅普斯金鋁業(yè)股份有限公司，蘇州215143）

0 前言

鋁已成為全球消費(fèi)量最高的有色金屬，經(jīng)過數(shù)十年的生產(chǎn)、消費(fèi)及使用，現(xiàn)在每年報(bào)廢的鋁合金占全球鋁消費(fèi)市場(chǎng)的35%左右。目前我國已經(jīng)進(jìn)入廢鋁回收黃金期，預(yù)計(jì)2035年再生鋁產(chǎn)量將超過原鋁。當(dāng)前，如何提升再生鋁保級(jí)、高品質(zhì)化利用，實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展，將成為再生鋁工業(yè)發(fā)展的新方向[1-2]。與原鋁原料相比，廢鋁的再生過程中會(huì)引入大量夾雜，雜質(zhì)元素不易控制，導(dǎo)致再生鋁生產(chǎn)控制難度大，品質(zhì)不穩(wěn)定[3]。因此再生鋁合金生產(chǎn)中最關(guān)鍵的就是如何有效地對(duì)鋁熔體進(jìn)行凈化處理，以便除去熔體中的氧化夾雜和金屬雜質(zhì)等。目前熔體凈化技術(shù)主要是通過過濾法、溶劑法和氣泡浮游法等方法使熔體中的雜質(zhì)元素、夾雜物和氣體與吸附介質(zhì)發(fā)生機(jī)械或物理化學(xué)作用，以達(dá)到凈化目的，從而提升再生鋁合金品質(zhì)、改善鋁合金的綜合性能[4-[5]。但是，我國目前再生鋁產(chǎn)業(yè)還難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和綠色高質(zhì)量發(fā)展的需求，故亟需在再生鋁處理技術(shù)、熔煉工藝等方面進(jìn)行突破。

為了實(shí)現(xiàn)廢鋁的高效再生與利用，獲得高性能的再生鋁產(chǎn)品，開發(fā)適合再生鋁使用的熔體凈化技術(shù)，本文簡述了再生鋁的生產(chǎn)工藝過程，并研究不同過濾方式對(duì)再生鋁性能的影響，為再生鋁的生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供技術(shù)參考。

1 再生鋁的生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制關(guān)鍵因素

再生鋁成品是廢舊鋁及鋁合金或含鋁的廢鋁，經(jīng)過廢鋁預(yù)處理，再經(jīng)熔煉、精煉、過濾、鑄造等工藝過程而得到的高品質(zhì)再生鋁鑄錠，其主要生產(chǎn)工藝過程如圖1所示。

圖1 再生鋁生產(chǎn)工藝流程圖

1.1 廢鋁預(yù)處理關(guān)鍵步驟

廢鋁預(yù)處理需要對(duì)其成分、形態(tài)、表面附著物和雜質(zhì)等進(jìn)行評(píng)定和控制。若廢料的成分及形態(tài)合格，則可直接使用；若廢料表面存在附著物、含氧化層或涂層、含油含F(xiàn)e廢物等，則需要進(jìn)行電磁鐵篩選或特殊處理，關(guān)鍵步驟如下：

（1）通過過濾網(wǎng)系統(tǒng)，去除普通雜質(zhì)。對(duì)來料鋁屑中的雜物和大塊廢料（包括拋絲、板材、型材等）進(jìn)行篩選區(qū)分，保證添加鋁屑為粗屑。

（2）通過回轉(zhuǎn)窯加熱，去除水分，破碎鋁屑團(tuán)。采用上海敘信LX-1500鋁屑處理設(shè)備對(duì)鋁屑進(jìn)行加溫，除去鋁屑中的水分和油漬。

（3）通過電磁鐵系統(tǒng)，去除含F(xiàn)e廢物。將篩選出的粗屑傳送到爐后旋渦井中，同時(shí)通過傳送帶中的磁鐵對(duì)鋁屑中的鐵制品進(jìn)行挑選，防止添加到爐內(nèi)的鋁屑Fe含量超標(biāo)。

1.2 管式過濾工藝質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素

管式過濾工藝在再生鋁生產(chǎn)中起著非常重要的作用，需要控制以下4個(gè)關(guān)鍵因素。

（1）烘烤過濾管：過濾管組需要進(jìn)行預(yù)熱，線下加熱至750℃保溫48 h后再移至線上進(jìn)行過濾。如果采用冷管直接過濾，溫度高達(dá)700℃的鋁液流入管組中會(huì)造成鋁液粘結(jié)，過濾失效。

（2）控制液位差：液位差是評(píng)估管式過濾能否正常使用的重要指標(biāo)。若管式過濾箱入口與出口液位差大于130 mm，管組所吸附的氧化物夾渣物就會(huì)過多，同時(shí)會(huì)造成鑄造端鋁水過少，存在漏鋁的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）管組使用壽命：管組使用壽命有限，不能無休止地連續(xù)過濾。

（4）密封性：通過膠水把第一層墊片粘到管組鋁液出口孔四周，用同樣方法粘結(jié)第二層墊片。將管組放入過濾箱，避免墊片損壞。該密封極其重要，一旦漏鋁，將導(dǎo)致鋁水不經(jīng)過濾直接進(jìn)入鑄造端。

2 過濾方式對(duì)成品性能的影響

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 再生鋁廢料預(yù)處理根據(jù)上述再生鋁廢料預(yù)處理要求，將再生鋁進(jìn)行鋁屑篩選、除水除油和電磁篩選。

2.1.2 過濾方式優(yōu)選

試驗(yàn)采用三井管式過濾管組，該過濾組可以對(duì)夾雜物進(jìn)行表面過濾、內(nèi)部吸附雙重捕捉。在過濾管外部表面過濾較大雜質(zhì)顆粒，在過濾管內(nèi)吸附更細(xì)小的雜質(zhì)，這種對(duì)雜質(zhì)雙重捕獲的機(jī)制實(shí)現(xiàn)了高精度的過濾效果。管式過濾組的規(guī)格及用途如表1所示。試驗(yàn)首先采用6種型號(hào)的過濾管進(jìn)行過濾試驗(yàn)，從而優(yōu)選出合適的過濾管型號(hào)，以符合高端電子型材的黑線低比例要求；然后再采用單板過濾和管式過濾組合的過濾方式對(duì)10種不同類型的廢料進(jìn)行試驗(yàn)，以測(cè)試和研究過濾方式對(duì)再生鋁產(chǎn)品的性能影響。試驗(yàn)選用的10種不同類型的廢料類型和參數(shù)如表2所示。

表1 管式過濾組規(guī)格及用途

表2 6×××系合金試驗(yàn)廢料性質(zhì)及等級(jí)

2.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)采用夾雜物含量及氧化后黑線比例兩種指標(biāo)評(píng)定再生鋁產(chǎn)品性能。

（1）夾雜物含量測(cè)試。參照國標(biāo)《GB/T 3246.2-2012變形鋁及鋁合金低倍組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行低倍及高倍金相組織檢測(cè)，測(cè)試方法如下：將所需圓鑄錠試片的頭、尾均切除規(guī)定尺寸后，沿兩端的橫向取樣，規(guī)格為25 mm±5 mm；所有需進(jìn)行低倍檢測(cè)的試片必須進(jìn)行銑削加工，粗糙度大于等于3.2 μm；按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在恒溫堿蝕槽內(nèi)將試片浸泡于濃度為80～120 g/L的氫氧化鈉溶液中，浸泡時(shí)間3～8 min；試樣堿洗后立即進(jìn)行清水沖洗，隨即放入20～30%（V/V）的HNO3溶液中進(jìn)行光洗，去除黑色堿蝕產(chǎn)物，再用流動(dòng)的清水沖凈后進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）氧化后黑線比例測(cè)試。通過目視、掃描電鏡等對(duì)再生鋁產(chǎn)品材料加工氧化后的黑線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及分析。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 管式過濾型號(hào)篩選試驗(yàn)

對(duì)不同型號(hào)管式過濾組的過濾效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可知，當(dāng)選擇RD等級(jí)過濾時(shí)，大于5 μm的夾雜物比例控制在2%以內(nèi)，氧化后黑線比例≤2%，符合高端電子型材對(duì)黑線比例的要求。

表3 管式過濾型號(hào)篩選試驗(yàn)結(jié)果

圖2 為通過RA等級(jí)過濾后6×××系合金鑄錠內(nèi)部典型的掃描電鏡微觀形貌。在顯微鏡下黑線主要呈現(xiàn)為不規(guī)則的孔洞或凹坑形貌，主要表現(xiàn)為順沿?cái)D壓方向的連續(xù)、非連續(xù)或單個(gè)分布的細(xì)微孔。由圖2（c）中的能譜結(jié)果分析可知，黑色粗大相的主要組成元素為C、O、Al、Mg以及少量Si、P、S、Ni。在鋁熔煉鑄造過程中，鋁熔體和空氣中的氧在高溫氛圍下反應(yīng)生成金屬氧化物，進(jìn)而聚集沉降于鋁熔體內(nèi)部，最后形成氧化夾雜物，并以膜狀、線狀、團(tuán)聚顆粒狀和聚集斑塊狀等多樣形式存在。當(dāng)合金化程度較低時(shí)，氧化物夾雜以Al2O3為主，熔體中含有Mg元素，在長時(shí)間高溫Al2O3環(huán)境下會(huì)轉(zhuǎn)變成硬質(zhì)化合物尖晶石（MgAl2O4）[6]。

圖2 6×××系合金通過RA級(jí)過濾氧化后黑線的典型掃描結(jié)果

2.3.2 單板過濾+管式過濾（RD等級(jí)）組合過濾

采用單板過濾和管式過濾組合的過濾方式對(duì)10種不同類型的廢料進(jìn)行試驗(yàn)，作為參照組，對(duì)鋁屑（含油，廢料編號(hào)7）進(jìn)行了單一過濾方式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表可知，采用單板過濾+（RD等級(jí)）管式過濾的組合方式，雜質(zhì)過濾效果明顯，低倍觀察下，均未發(fā)現(xiàn)大于5 μm夾雜。圖3示出了含油鋁屑在組合過濾前后的對(duì)比情況。圖4為單板過濾+（RD等級(jí)）管式組合過濾后的鑄錠組織。在鑄錠的低倍觀察中沒有發(fā)現(xiàn)大尺寸夾雜物，在掃描電鏡觀察下發(fā)現(xiàn)夾雜顆粒物，且尺寸≤5 μm，可見過濾效果優(yōu)異。

圖3 過濾前后管組變化

圖4 7#廢料熔煉后通過組合式過濾后的鑄錠

表4 單板過濾+管式過濾（RD等級(jí)）組合過濾試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）采用RD等級(jí)對(duì)再生鋁鋁液進(jìn)行過濾，結(jié)果發(fā)現(xiàn)夾雜物比例在2%以內(nèi)，氧化后黑線比例≤2%，符合高端電子型材對(duì)黑線比例的要求。

（2）采用單板過濾+（RD等級(jí)）管式過濾的組合方式，雜質(zhì)過濾能力顯著，可阻擋≥5 μm雜質(zhì)顆粒物，過濾效果優(yōu)異。