韓 逸，錢維鋒，朱 雯，馮 丹，楊書瑜，劉金炎，趙丕植

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215026)

近年來，在經(jīng)濟快速增長的拉動下，我國的鋁加工行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，并持續(xù)保持良好的發(fā)展態(tài)勢。自2002年我國鋁產(chǎn)量躍居世界首位之后，到目前鋁產(chǎn)量一直保持在世界的前列。2021年我國鋁加工材產(chǎn)量4 470萬t，同比增長6.2%。鋁加工行業(yè)對原鋁的需求與消耗量逐年遞增[1-5]。我國電解鋁產(chǎn)量接近4 000萬t，為全球需求的60%以上。然而我國鋁土礦儲量少，僅占世界儲量的3.1%，很大程度上依賴進口，對外依存度高，這種資源供給不足已明顯成為制約我國鋁加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[6-9]。

據(jù)統(tǒng)計，2020年我國用鋁儲量約3.6億t。隨著人們生活水平的提升，用鋁儲量將不斷增加，預(yù)計2030年我國的用鋁儲量將達到8.8億t，形成巨大的“城市鋁礦山”[10-18]。面對儲量巨大的“城市鋁礦山”，按照年5%的比例回收推算，2030年我國廢鋁供應(yīng)量將達到4 400萬t，市場對于鋁材產(chǎn)品的需求量將維持在7 000萬t左右水平，而電解鋁產(chǎn)能已逼近紅線，原鋁需求在逐漸減少，再生鋁在不斷增加[19-25]。

生產(chǎn)1 t再生鋁所需能源僅相當(dāng)于生產(chǎn)原鋁的5%左右，碳排放僅相當(dāng)于生產(chǎn)原鋁的10%[26-29]。再生鋁作為一種綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的產(chǎn)品，十分契合“碳達峰，碳中和”的綠色發(fā)展理念。一旦將“城市鋁礦山”高效利用起來，將為我國未來鋁合金市場的可持續(xù)發(fā)展提供充足的資源保障，有利于打造綠色循環(huán)產(chǎn)業(yè)，對帶動我國鋁行業(yè)走新型工業(yè)化之路，科學(xué)發(fā)展再生鋁產(chǎn)業(yè)具有十分重要的意義。本文介紹了我國再生鋁行業(yè)現(xiàn)狀，提出了廢鋁回收面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并結(jié)合國內(nèi)外最新研究進展和案例，總結(jié)了廢鋁回收的核心技術(shù)，為再生鋁產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展進步提供參考。

1 我國再生鋁行業(yè)現(xiàn)狀

據(jù)安泰科統(tǒng)計，到2020年底，全國再生鋁產(chǎn)能為1 400萬t/a左右，產(chǎn)業(yè)規(guī)模居全球首位，2020年再生鋁產(chǎn)量725萬t[27-28]，在鋁供應(yīng)中占比保持在16%左右。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，目前國內(nèi)再生鋁企業(yè)以鑄造鋁合金錠為主，部分企業(yè)布局變形合金扁錠、圓錠等加工坯料。根據(jù)安泰科測算，2020年我國再生鋁產(chǎn)品中，鑄造鋁合金占比74%，變形鋁合金占比23%，剩余為煉鋼脫氧劑等，其中汽車行業(yè)占到再生鋁消費量60%以上[26]。

從原料結(jié)構(gòu)來看，目前進口廢鋁與國內(nèi)廢鋁并存，但近年來廢鋁進口政策趨緊，2020年鋁廢碎料進口82.5萬t，較2010年下降71%，廢鋁占比由2010年的50%降至2020年的16%，形成以國內(nèi)回收廢鋁為主，進口廢鋁為輔的原料結(jié)構(gòu)[30]。

從產(chǎn)業(yè)分布來看，中國再生鋁企業(yè)多布局在沿海港口地區(qū)。隨著國內(nèi)廢鋁產(chǎn)生量的持續(xù)增長，內(nèi)陸廢鋁集散地開始聚集再生鋁生產(chǎn)企業(yè)。截至2020年底，再生鋁企業(yè)主要集中在沿海地區(qū)和內(nèi)陸成渝、江西、河南等地，其中江蘇、廣東、浙江、河北、重慶、江西、山東為7大再生鋁產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，這些地區(qū)再生鋁產(chǎn)量合計占全國總量的84%。

從能耗角度來看，根據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)(見表1)，生產(chǎn)1 t再生鋁能耗僅為原鋁5%，僅產(chǎn)生0.5 t二氧化碳排放。根據(jù)國內(nèi)的數(shù)據(jù)，與生產(chǎn)等量的原鋁相比，生產(chǎn)1 t再生鋁相當(dāng)于節(jié)約3.4 t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)水14 m3，減少固體廢物排放20 t[31-32]。尤其在我國，能源稟賦決定我國鋁行業(yè)碳排放高于國外水電豐富國家的。根據(jù)安泰科數(shù)據(jù)，2020年中國80%的電解鋁生產(chǎn)使用煤電，鋁冶煉環(huán)節(jié)(氧化鋁、電解鋁、再生鋁)的二氧化碳排放量約為5.25億t，約占有色金屬行業(yè)排放量的77%，占全國總排放的5%[33]。僅依靠增加清潔能源比例難以實現(xiàn)碳中和遠景目標(biāo)，必須增加再生鋁使用占比。

表1 原鋁與再生鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放對比Table 1 Comparison of energy consumption and greenhouse gas emissions between primary aluminum and recycled aluminum production

從回收方式來看，相比發(fā)達國家，我國的廢鋁回收利用方式仍相對落后。長期以來，受廢鋁原材料成分復(fù)雜的影響，我國生產(chǎn)的大部分再生鋁合金雜質(zhì)元素含量較高，只能用于生產(chǎn)鑄造鋁合金產(chǎn)品，很多優(yōu)質(zhì)的變形鋁合金廢鋁被降級使用，導(dǎo)致廢鋁的回收價值被大打折扣，造成廢鋁資源的巨大浪費。據(jù)SMM數(shù)據(jù)，我國每年只有約20%的再生鋁能夠重新生產(chǎn)相應(yīng)牌號的變形鋁合金，實現(xiàn)保級回收利用，保持廢鋁的價值[34]。然而在發(fā)達國家的再生鋁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，變形鋁合金的占比超過一半。

從廢鋁來源來看，國內(nèi)再生鋁企業(yè)廢鋁供應(yīng)分國內(nèi)和國際兩個來源，近兩年主要以國內(nèi)廢鋁供應(yīng)為主。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會收集的數(shù)據(jù)，2020年新廢鋁產(chǎn)生量約為210萬t，主要來自鋁材生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的邊角料、報廢品及切屑等，一般由生產(chǎn)廠自行回收利用，只有部分進入社會流通。2020年舊廢鋁約為450萬t，主要來源于建筑、交通運輸、電力電子、包裝、日用消費品等領(lǐng)域，其中建筑領(lǐng)域占比35%、交通運輸領(lǐng)域占比28%，是舊廢鋁最重要的兩個原料來源[5]，見圖1。隨著我國汽車保有量的穩(wěn)定增長，預(yù)計到2025年會迎來汽車報廢的高峰期，來源于交通運輸領(lǐng)域的舊廢鋁占比將會提高。

圖1 2020年我國廢鋁來源占比情況Fig.1 Proportion of sources of used scrap aluminum in China in 2020

從產(chǎn)業(yè)政策來看，近年來，再生鋁行業(yè)涉及的法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)范、制度、標(biāo)準(zhǔn)等進入密集調(diào)整期[35]，見表2。國家層面已經(jīng)把再生資源產(chǎn)業(yè)作為重點支持領(lǐng)域，鼓勵再生有色金屬行業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新，為該行業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動作用。

表2 近兩年再生資源產(chǎn)業(yè)部分相關(guān)政策一覽表Table 2 List of relevant policies in the renewable resources industry in the past two years

2 廢鋁回收面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

通過對我們再生鋁行業(yè)現(xiàn)狀進行分析可知，汽車行業(yè)占到再生鋁消費60%以上，主要集中在鋁制部件，如車輪、發(fā)動機缸體缸蓋、曲軸箱、進氣管、變速箱、油泵等部位，大部分用鑄造鋁合金制作。目前整車輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，對于傳統(tǒng)汽車而言，輕量化有利于提高動力性能、減少燃料消耗、降低排氣污染。根據(jù)美國鋁業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，如果將傳統(tǒng)鋼替換為鋁，則每減少10%的重量，即可節(jié)省5%～7%的燃料，1t鋁的使用可以減少汽車服役期間碳排放20 t[36-38]。對于新能源汽車而言，輕量化不但可以增加續(xù)航里程、還能減少電池成本。

由此可見，汽車用鋁的需求增長空間較大，將成為鋁材行業(yè)的關(guān)鍵增長點。根據(jù)國際鋁業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析[38]，在單車用鋁量方面，2018年我國乘用車與商用車單車用鋁量分別為119.7kg、99.3kg，預(yù)測到2030年，我國乘用車與商用車單車用鋁量將分別達到242.2 kg、253.2 kg，相較于2018年分別增長102.34%、154.98%。在汽車工業(yè)用鋁總量方面，2018年國內(nèi)汽車行業(yè)鋁材消費總量為386萬t，預(yù)測到2030年，國內(nèi)汽車行業(yè)鋁材年消費總量將達到1 070萬t。2021年，全國機動車保有量達3.95億輛，其中汽車3.02億輛，按每輛車平均用鋁量150 kg計算，則有6 000萬t鋁待回收。如果這些廢鋁都可以得到有效利用，那么我國原鋁產(chǎn)量壓力會大大減輕。

近年來隨著新能源電動汽車普及，汽車中的鋁應(yīng)用形式發(fā)生了改變[39]。汽車發(fā)動機、變速器用鋁量將逐年下降，電池包、車身覆蓋件、電動機外殼等部位用鋁量將顯著增加，常用鋁合金種類見表3。這將導(dǎo)致燃油車用傳統(tǒng)再生壓鑄鋁合金的需求減少，而電動車新增用鋁部件和一體化壓鑄材料等對高品質(zhì)原鋁的需求在持續(xù)增加，這將使得電動車用鋁的碳排放量明顯提升，同時造成鋁循環(huán)回收體系的不平衡，低品質(zhì)的再生鋁嚴重過剩。此外，由于燃油車用鑄造鋁合金產(chǎn)品的種類很多[40]，合金元素的質(zhì)量分數(shù)高達6%～27%，在連續(xù)幾輪回收之后，合金元素的積累會越來越高，導(dǎo)致其回收再利用越來越困難。因此，如何做好鋁制品的同級或升級回收利用，最大程度發(fā)揮廢鋁制品的價值是目前再生鋁行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)，亟需開發(fā)新的核心技術(shù)，以實現(xiàn)廢鋁的高效低成本回收利用，促進再生鋁產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展。

表3 汽車常用鋁制零部件合金牌號Table 3 Alloy grades of aluminum parts commonly used in automobiles

3 廢舊汽車鋁回收核心技術(shù)

對發(fā)達國家廢舊汽車零部件回收利用的最新發(fā)展動態(tài)進行調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，主要回收路徑為同級和升級回收，正在開發(fā)的核心技術(shù)主要包括以下四個方面，分別為高精度分選技術(shù)、雜質(zhì)無害化技術(shù)、雜質(zhì)元素去除技術(shù)以及廢鋁升級提純技術(shù)，詳見圖2。

圖2 廢舊汽車鋁制零部件回收利用技術(shù)研發(fā)路徑Fig.2 Research and development path of recycling technology for aluminum scrap parts once used on automobile

3.1 高精度分選技術(shù)開發(fā)

對于報廢汽車的回收，通常先將常用的零件拆下，然后通過壓制縮小體積，運送到下游進行破碎。報廢汽車的材料種類繁多，形狀和尺寸復(fù)雜，相互連接，難以分離。為此，需要開發(fā)便于與鐵基材料、輕質(zhì)材料和絕緣體材料分離的設(shè)備，以提高分離的效率和分揀的精度，大幅提高廢鋁的回收利用率。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)是美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)開發(fā)的技術(shù)，20世紀90年代已用于金屬廢鋁的成分識別。目前激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法是獲得較為廣泛應(yīng)用的一項成分定量識別技術(shù)，其技術(shù)原理如圖3所示。此方法工業(yè)化應(yīng)用的主要障礙在檢測精度、檢驗速度以及成本方面。研究顯示，數(shù)百萬美元的硬件設(shè)施，其檢驗速度大約為5 t/h左右。近年來，有研究人員[41-43]采用機器學(xué)習(xí)等手段對激光誘導(dǎo)擊穿光譜采集的數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)材料分類，有望在保證一定準(zhǔn)確率的前提下提高分類速度。

圖3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜原理圖Fig.3 Schematic diagram of laser-induced breakdown spectroscopy

近年來，日產(chǎn)汽車株式會社對回收的廢舊汽車板高度循環(huán)利用所需的分選技術(shù)進行評價和驗證，對比分析兩種分選技術(shù)的準(zhǔn)確性。采用日產(chǎn)的6×××系鋁合金外板和5×××系鋁合金內(nèi)板作為研究材料，分別采用X射線法和激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對破碎后的汽車板材料進行分選，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，X射線法對廢鋁形狀要求高，需為扁平狀，且識別準(zhǔn)確率較低，約為70%。激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對形狀要求不高，但受表面漆膜的影響較大，無法識別率在30%以上；對于不受表面漆膜影響的可識別的廢鋁，準(zhǔn)確度約為90%。因此，對于智能高效分選技術(shù)而言，一方面需要開發(fā)可操作性強的漆膜去除或剝離技術(shù)，另一方面需要開發(fā)精度更高、成本更低的智能分選技術(shù)，以提高廢鋁回收利用效率。

3.2 雜質(zhì)無害化技術(shù)開發(fā)

當(dāng)鋁制品中雜質(zhì)元素含量較高時會帶來一系列產(chǎn)品質(zhì)量問題，因此需要開發(fā)一種先進的加工工藝技術(shù)，即使對于雜質(zhì)元素稍微過量的材料也能滿足產(chǎn)品的應(yīng)用要求。這些工藝包括快速冷卻和強制固溶技術(shù)，以及超細晶和析出物納米化等控制技術(shù)。

在汽車鋁板領(lǐng)域，諾貝麗斯開發(fā)出易回收汽車板5754RC、5182RC，w(Fe)高達0.3%，回收料占比75%以上。其核心關(guān)鍵技術(shù)包括調(diào)整合金元素配比，改善富鐵相形貌，并通過工藝優(yōu)化，控制富鐵相的尺寸[44-45]，使其細小彌散均勻分布，抑制其在后續(xù)成形過程中帶來的不利影響。通過上述核心關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，諾貝麗斯實現(xiàn)了汽車鋁板的閉環(huán)回收并大幅降低了成本。

日本佐藤達男教授[46]通過D-SSF(Deformation Semisolid Forming)工藝生產(chǎn)一種w(Fe)高達1%的Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg合金，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)組織中有β-AlFeSi、Mg2Si和Si相經(jīng)過D-SSF工藝后，被破碎為細小分散的含鐵金屬間化合物，促進了再結(jié)晶晶粒的形核，并抑制了晶粒的生長，如圖4所示。同時，與常規(guī)合金相比，經(jīng)過D-SSF工藝加工的高Fe含量合金的抗拉強度和伸長率均明顯提高，合金的伸長率高達20%。說明D-SSF工藝可以將w(Fe)=1%的Fe對合金的有害影響有效降低，并做到無害化。

圖4 Al-1Mg-2.4Si-1Fe合金的光學(xué)顯微組織照片F(xiàn)ig.4 Optical micrographs of Al-1Mg-2.4Si-1Fe alloy

3.3 雜質(zhì)元素去除技術(shù)開發(fā)

廢鋁制品在回收時，總是不可避免地會混入異種材料和不同系列的鋁制品，進而導(dǎo)致Fe、Si、Zn、Mg、Ti和Pb等雜質(zhì)元素含量較高。在變形鋁合金中，由于沖壓、拉拔和彎曲等成型加工條件非常嚴格，因此對各種雜質(zhì)元素的容限度都有嚴格的上限要求，需要開發(fā)雜質(zhì)元素去除技術(shù)，以提高廢鋁循環(huán)利用率。

Fe元素是再生鋁熔煉中最常出現(xiàn)的含量超標(biāo)元素，也是對產(chǎn)品性能危害最大的雜質(zhì)元素，除去難度較大。目前解決這一問題的思路主要為除去Fe元素和調(diào)控含鐵相。其中鋁熔體中鐵雜質(zhì)的去除技術(shù)主要包括離心去除、電磁分離、陶瓷過濾、脈沖電流、超聲波和熔劑去除法[47-50]等。改善富鐵相在鋁合金中的組織形貌的技術(shù)主要有添加稀土元素、添加中和元素和熱處理等方法[51-53]。以上方法目前均處于實驗室開發(fā)階段，尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，需要持續(xù)予以關(guān)注。

此外，美國鋁業(yè)公司于2020年4月發(fā)表一篇化合物法去除雜質(zhì)Fe元素的專利[54]，通過在廢鋁熔體中添加一種或多種含鐵金屬間化合物形成劑材料，通過分離比重較大的含鐵金屬間化合物顆粒來提純3×××和4×××系鋁合金，其技術(shù)路線圖見圖5。這一方法具有較高的除Fe率，當(dāng)聯(lián)合使用含Mn和Si熔劑時，可使再生3×××和4×××系鋁合金的w(Fe)從0.57%降至約0.13%，且適合工業(yè)化應(yīng)用。此項技術(shù)的核心關(guān)鍵點在于，除Fe熔劑成分的優(yōu)化設(shè)計，使其能夠提供足夠?qū)挼募兓瘻囟却翱趤矸蛛x含鐵金屬間化合物，為工藝設(shè)計提供可操作性。

圖5 化合物法去除鐵雜質(zhì)元素技術(shù)路線圖Fig.5 Technical roadmap for removing iron impurities by compound method

3.4 廢鋁升級提純技術(shù)開發(fā)

目前針對鋁合金提純的技術(shù)主要包括三層液電解法、偏析法、熔鹽法、蒸餾法等，尚未有針對雜質(zhì)元素含量較高的廢鋁提純技術(shù)，需要開發(fā)適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的低成本、綠色環(huán)保型提純技術(shù)，可以創(chuàng)造一個全新的價值鏈，實現(xiàn)廢鋁的升級循環(huán)利用。

近期，日本東北大學(xué)朱鴻民老師團隊[55]開發(fā)了一種固態(tài)電解法提純技術(shù)，引發(fā)行業(yè)的高度關(guān)注。此項技術(shù)的最大特點是陽極和陰極均為固態(tài)，陽極是固態(tài)鑄造鋁合金，陰極是固態(tài)高純鋁，且熔鹽電解液加熱溫度低(500 ℃)，所以能耗低，是傳統(tǒng)三層液電解法能耗的一半，具體參數(shù)比對情況詳見表4。固態(tài)電解法基本原理是利用電化學(xué)電位法(見圖6)把電位控制在鋁析出電位附近，讓陽極溶解的鋁在陰極析出，得到99.9%的純鋁。盡管此固態(tài)電解法目前仍處于實驗室階段，但在廢鋁回收領(lǐng)域具有非常大的工業(yè)應(yīng)用前景。

圖6 日本東北大學(xué)開發(fā)的固態(tài)電解法示意圖Fig.6 Schematic diagram of the solid-state electrolysis method developed by Tohoku University in Japan

表4 各電解工藝對應(yīng)的參數(shù)Table 4 Comparison of parameters corresponding to each electrolysis process

4 結(jié)束語

隨著新能源汽車的日益普及，在汽車報廢后，傳統(tǒng)燃油車用鋁合金壓鑄件面臨保級和升級回收的困境，而電動車新增用鋁部件和一體化壓鑄材料等對高品質(zhì)原鋁的需求在持續(xù)增加，導(dǎo)致鋁制零部件的碳排放量明顯提升，且循環(huán)回收體系失衡，亟需開發(fā)顛覆性的相關(guān)核心技術(shù)予以解決。

最新的廢鋁制零部件回收利用關(guān)鍵技術(shù)中，廢鋁同級回收路徑主要包括高精度分選技術(shù)開發(fā)、雜質(zhì)無害化技術(shù)開發(fā)、雜質(zhì)元素去除技術(shù)開發(fā)；升級回收路徑包括廢鋁提純技術(shù)開發(fā)。以上技術(shù)需要我們持續(xù)跟蹤最新研究進展并加強相關(guān)的研發(fā)工作，盡快攻克再生鋁循環(huán)回收利用的技術(shù)難點和產(chǎn)業(yè)化障礙，使我國再生鋁產(chǎn)業(yè)擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)，促進再生鋁的保級和升級回收循環(huán)利用，推動鋁加工行業(yè)朝著低碳綠色可持續(xù)方向發(fā)展，保障鋁資源的有效供給，助力我國早日實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)。