废易拉罐铝保级还原熔炼制备技术及生产工艺探讨.pdf

1、 2010年第 11 期（总第 143期） 13 - 13 废易拉罐铝保级还原熔炼制备技术及生产工艺探讨 上大环球资源再生利用技术研究所 刘济华 毛协民 刘炜 随着我国经济社会的发展及人民生活水平的 提高，我国的铝易拉罐消费量逐年增加，2007 年 已超过二百亿支，并以指数式地递增。相应的废 铝易拉罐的回收量也越来越大，据不完全统计， 近年已达到十几万吨。众所周知，易拉罐的铝罐 体是 3004 牌号的铝合金、罐盖是 5182 牌号的铝 合金，这些优质铝合金都是用优质的原生铝配制 的。而目前我国回收的易拉罐却都被降级使用， 制成了副牌 102、ADC-12、非标铝锭等档次不高的 铝合金锭，使其真

2、正的价值没有达到有效利用， 在经济上造成很大的浪费。如果能把回收的废铝 易拉罐通过保级还原熔炼制备技术制成符合国家 标准的 3004牌号铝合金，再用这些铝合金通过热 轧、冷轧、成型等工艺技术重新制成新的易拉罐， 实现重复循环利用，这样不仅做到了废铝易拉罐 的高值化的利用，而且还有良好的经济效益和社 会环境效益。 由于3004 牌号铝合金的性能指标要求高、生产 难度大， 例如， 按标准， 其抗拉强度要达到 260 MPa， 延伸率要达到 3%以上，在生产中制罐成型时破罐率 不能超过百万分之五（即 5 个 PPM 级），所以到目 前为止，国内还没有用废易拉罐铝生产 3004 牌号铝 合金的再生铝企

3、业，也没有一条用废铝易拉罐生产 高值化铝合金的自动化或半自动化的生产线。 随着再生铝产业的飞速发展，科技创新成为 推动产业升级的强大动力，越来越多的再生铝企 业投入到了研发专利、技术创新、掌握自主知识 产权的生产实践中来，如蓄热式燃烧、低温熔炼 等许多节能减排新技术新工艺在再生铝行业内得 到了推广和普及。在集成创新理念的指导下，许 多跨国界、跨行业、跨领域的新理念、新技术、 新工艺正在被产学研一体化的研发企业集成整 合，未来几年再生铝行业酝酿着重大的技术突破。 废铝易拉罐保级还原熔炼制备技术在国外已 有较成熟的技术路线，像美国波尔公司等大型企 业早在上个世纪九十年代就已建成了一整套先进 的生产

4、工艺流程和技术装备，但其造价过于昂贵， 国内还没有一家再生铝企业引进利用。为了早日 建成符合我国国情的废易拉罐铝循环利用生产 线，依据我所整合自主创新的多项国家发明专利 技术和实用新型专利技术，借鉴和吸收国外先进 的技术理念，研究设计了一整套具有中国特色的 废易拉罐铝保级还原熔炼制备技术与生产工艺流 程，在这里抛砖引玉，与大家共同探讨。 1 废易拉罐铝循环利用生产线技术路线 根据废易拉罐铝的成分与外形特点，技术路 线主要由三大部分构成：预处理技术、熔炼配制 技术和铝熔体精炼净化及晶粒细化技术。每个部 分又由多个技术环节组成： 1.1 废易拉罐铝预处理技术：废易拉罐铝及 废易拉罐铝打包块的破碎（

5、粉碎机）-易拉罐铝 的分选（荧光分选机）-易拉罐表面除漆（脱漆 窑）-废气二次燃烧和净化（热量回收、干法收 尘）-回转筛分振动脱碳（强力振动筛） 1.2 废易拉罐铝熔炼配制技术：计算机配料 （电脑软件配料）-侧井投料（蓄热式双室双循 环熔铝炉、机械循环泵）-低温熔炼法熔铝 1.3 铝熔体精炼净化及晶粒细化技术：炉内 精炼变质（铝合金复合精炼变质法）-炉外在线 除气（在线除气设备）-过滤（陶瓷过滤板）- 细化晶粒-浇铸成板锭或板坯（半连铸法） 2010年第 11 期（总第 143期） 14 - 14 2 废易拉罐铝循环利用生产线的工艺流程 用保级还原熔炼制备技术处理废易拉罐铝的 生产线主要工艺流

6、程如下： 2.1 预处理技术路线 由于回收来的废铝易拉罐成分和外形都相当 复杂，特别在我国的废品回收体制下，混杂了许 多的非铝杂料，因此必须对这些回收的废易拉罐 原料进行必要的预处理。在废铝易拉罐的预处理 技术上，一些发达国家已形成了一套较完整的生 产工艺，如美国的波尔公司，采用了多项先进技 术，使废铝易拉罐在无污染的情况下得到了快速 有效的处理，我们借鉴了此类成功的技术路线， 取其关键技术的要点，并利用国产设备完成这条 接近国际先进技术标准的预处理生产线。 2.1.1 废易拉罐铝的破碎工序 由于质地较轻，为了便于运输和存储，绝大 部分回收到的废铝易拉罐的外形都已破坏或被压 成饼料，在回收企业

7、中常用的和进口的废铝易拉 罐大多也已经打成压块。由于饼料及压块整体除 漆会使除漆不充分，而且会导致废铝易拉罐料的 局部过烧，影响其冶金质量，所以在除漆之前必 须对废铝易拉罐进行破碎处理，使其漆面外露， 便于除漆。 本生产线拟采用江苏某厂出产的PS-1型箱式 粉碎机进行机械粉碎，该设备每小时可处理 1-2 吨铝料，可直接破碎易拉罐压块，解决了传统设 备只能破碎单个易拉罐的难题，提高了生产效率。 工作时将饼料或压块，经传送带由上方的加料口 直接填入粉碎机，经处理后得到 2-3 公分左右的 碎片，并经输送带运至下道分选设备。 2.1.2 废易拉罐铝的分选工序 在废铝易拉罐的回收中常常会不可避免带有少

8、量 的铁罐等非铝料，也就是在废铝易拉罐中，有部 分罐体的材料是软铁料，压块后更难以区分，因 此粉碎后的铝碎片中不可避免会带入含铁件等非 铝料。由于 3004 合金对杂质铁的有严格的要求， 所以必须在投炉前把带铁的原料分选出来。 本流程拟采用上海某企业的最新产品 MST X55B型 荧光分选机，来实现废易拉罐的分选。这种技术 的分离精度可达 50ppm （即分选误差仅为十万分之 五），目前这样的精度达到了国际领先水平。铝 碎片经传送带成批进入荧光分选设备，利用激光 （X 射线荧光）的高分辨能力，高速识别，并通过 压缩空气气吹分离的方法清除废铝易拉罐中夹带 的非铝杂物和含铁件。经分选后的净化铝碎片

9、经 输送带运至下道除漆设备。 2.1.3 废易拉罐铝的表面除漆工序 废铝易拉罐表面的漆层，含有不少有害重金属 元素和碳氢化合物。他们不仅会给铝液带进有害杂 质和气体，影响合金质量；而且燃烧产生的有害烟 气也给熔炼时的环境带来严重污染。破碎后的碎铝 片漆面暴露在外，很容易与空气接触反应，而且它 具有很低的热容量，使其能在很短的时间内就升到 除漆温度，致使漆分解、碳化，而不影响到基体铝 片的冶金质量。本流程拟采用河南某厂生产的旋转 式脱漆窑，分选后的碎铝片由输送带迅速送入并通 过精确控温（正负不超过 5）的脱漆窑中，一般 脱漆窑的温度控制在 300-500左右，罐料在炉 内迅速升温，在短时间内达到

10、除漆温度，致使罐料 表面的漆分解、碳化。开始时需要加一定的热能， 当达到一定温度之后，热能就主要依靠易拉罐表面 漆炭化过程的放热来维持。在旋转式的脱漆窑中， 易拉罐的漆层被炭化，依靠旋转过程的自身振动， 碳化后的漆层脱落。并且在此过程中废易拉罐中的 残留的水分也得到烘干，消除了后工序的熔炼过程 中的水和铝水起反应的可能，使冶炼质量和生产的 安全得到保证。 2010年第 11 期（总第 143期） 15 - 15 2.1.4 废气二次燃烧工序 脱漆窑所产生的烟气温度一般在 300-500 左右，因此烟气中除粉尘外还含有大量漆层热 反应后所产生的有害气体和可燃气体，会给环境 带来严重污染，直接排放

11、显然不行。因此，在烟 气排放前，将烟气接入二次燃烧设备，进行处理。 我所和江苏某环保设备厂联合研制的TQ-2型二次 燃烧处理设备（专利申请号：200910024763.9）， 使烟气直接进入一个高温加热室，瞬间被加热到 1150左右，使烟气无害化焚烧，也将其中未燃 尽的漆粉末进行充分燃烧，并将燃烧后的烟气导 入换热器(管形蜂窝状)，将热量转吹入回转窑中， 使最后排除的烟气低于 180，基本不含二恶烷 （致癌物质）等有害气体，并热量得到充分利用。 在烟气处理的末端，采用旋风喷淋塔对所进入的 烟尘处理，第一步用旋风式收尘器，使大部分粉 尘得到回收，第二步用喷淋过滤技术，在喷淋过 滤塔中，烟尘得到彻

12、底的回收，使最后排放的烟 气达到国家二级排放标准。 2.1.5 除漆后废易拉罐铝的脱碳工序 由于各种原因，经烘干碳化后的易拉罐碎片 上还会残留部分漆碳化后的碳粒，需再处理以获 得高度洁净的铝片料。我们的研究表明，采用了 我们确定的表面除漆工序后，碳化的漆层与铝基 体的结合力已明显降低，采用强力振动可实现铝 基体和碳化漆层的分离。本流程拟采用河南某厂 出产的 2YK1000 型强力振动筛，每小时可处理碎 铝片 2 吨左右，经除漆后的铝碎片进入强力振动 筛强搅拌，通过强力振动使炭粒全部脱落分离， 获得了高度洁净的铝片料。 2.2 废易拉罐铝熔炼配制技术路线 熔炼技术路线的基本任务，就是把预处理后

13、的铝碎片投入熔铝炉中，经过加热和熔化成为熔 体，再对熔化后的熔体进行成分调整等处理，最 后得到成分合乎标准要求的铝合金液。而这项任 务的关键在于，采用行之有效的工艺与设备把铝 碎片在熔炼时的烧损、能耗和环境污染尽可能的 降到最低。 2.2.1 计算机配料工序 铝制易拉罐是由罐体和罐盖咬合加工而成 的，高 122mm，直径 66mm，壁厚 0.13mm，重 14.93 克（体 11.21 克，盖 3.38 克，拉环 0.34 克）。 易拉罐的成分主要由三种铝合金组成：易拉罐的 罐体与罐底是 3004 铝合金，罐盖是 5182 铝合金， 拉环是 5042铝合金，其成分及含量见表 1。 表 1 易拉

14、罐各组成部分及废铝易拉罐混熔的化学成分 元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 罐体（3004） 0.3 0.7 0.25 1.0/1.5 0.8/1.3 0.1 0.25 0.15 余量 罐盖（5182） 0.2 0.35 0.15 0.2/0.5 4.0/5.0 0.1 0.25 余量 拉环（5042） 0.2 0.35 0.15 0.2/0.5 3.0/4.0 0.1 0.25 0.15 余量 废铝易拉罐混熔 0.14 0.61 0.16 1-1.2 0.8-1.3 - 0.25 - 余量 注：Mn、Mg为主要强化元素；Si、Fe、Cu、Cr、Zn、Ti均系为杂质元素

15、 2010年第 11 期（总第 143期） 16 - 16 常规回收的废铝易拉罐很少带有拉环，成分可 忽略不计，但罐体和罐盖的材料不同，在生产使用 中也很难将罐体和罐盖分离，所以，配料思路上， 基本按 3004 合金、5182 合金外加部分双零铝来进 行配制。由于每批次原料的成分略有差异，配料前 也可取少量已洁净化的碎料（不少于1 吨）重熔， 以得到近似的各元素平均值用作配料参考系数。 在实际生产中建议使用计算机软件配料。这 种方案利用计算机的灵活性和精确性，依据多年 实践经验，从再生铝熔炼特点出发编制而成，加 上原料数据库 （1500炉次-2000炉次的技术数据） ， 有效地解决了配料难题。

16、 同时，为提高一次达标的配料成功率还应注 意原料数据库的建立：就是对不同批次、不同来 源的已洁净化的易拉罐废铝料的成分、质量状况 进行检测、统计，并输入计算机，形成原料数据 库。表 2 是 15 吨重熔再生 3004 合金配料单的实 例，表 3 是配制熔炼后获得的重熔再生 3004 合金 锭成分与美标要求的成分对照。表 2 15 吨炉重熔再生 3004 合金配料表 序号 原料名称 配料重量 1 废铝易拉罐碎料 12.5吨 2 双零铝锭 3吨 合计重量 15.5吨 成品重量 约15吨 表 3 废铝易拉罐重熔再生 3004 成分与美标 3004成分对照表 元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr

17、Zn Ti Al 3004（美标） 0.3 0.7 0.25 1.0/1.5 0.8/1.3 0.1 0.25 0.15 余量 3004（再生） 0.23 0.52 0.19 1.08 1.28 0.08 0.21 0.1 余量 注：3004（再生）元素成分由表2配料重量经电脑计算得出。 从上表可以看出，易拉罐废铝重熔再生 3004 合金在化学成分上是可以达标的。但需注意的是， 双零铝加入的多少，关键在于 Mg 元素值的高低， 其他元素成分均有较大的调整空间。 2.2.2 废易拉罐铝的投炉工序 目前废铝易拉罐料在我国的常规使用中，大部 分企业都是采用直接投炉，有的是将压块压入铝水 中，有的是将

18、饼料装袋直接撒入，但由于密度低， 都无法避免铝料漂浮在铝液上，因此铝耗往往居高 不下， 并由于严重氧化， 也影响着铝液的冶金质量。 为了解决这个问题，熔铝炉拟采用我所自行 研制并已获得国家专利的蓄热式双循环双室熔铝 炉（专利号：ZL2008201379231） ，该炉是针对以 轻薄铝为主料而设计的节能型低损耗熔铝炉。 2010年第 11 期（总第 143期） 17 - 17图 1 蓄热式双循环双室熔铝炉结构图 双室指的是一个加料室和一个加热室；所谓 双循环，一是指炉气循环、二是指铝液循环，这 两种循环方式是分别通过蓄热式燃烧设备和机械 循环泵来实现的。引入蓄热式燃烧技术，因其自 动调节炉压的特

19、点，使火焰不直接加热所投物料， 而是通过两室间的烟气通道，使炉气的循环转动 间接预热物料；引入机械循环泵，将加热室的热 铝水通过外池打入加料室，用热铝水冲刷刚投入 的铝料，使其熔化陷入铝水中，并且还在外池中 设置了漩涡沉熔井，铝液从加热室内由机械泵打 入侧井，在漩涡井金属流产生向下的漩涡，迫使 加入的易拉罐碎片迅速沉入金属液面下，与外界 的空气隔离，大幅度提高了溶入率，实现了低损 耗的易拉罐碎片的熔炼。通过这样的二个投料方 式，碎铝料通过机械泵漩涡沉熔加入，大的打包 料通过炉门加入无火焰的加料室，使铝耗降低到 最低程度，能耗也大大减少，真正达到了节能减 排，低耗高效的目的。 实践表明，通过蓄热

20、体这一媒介，出炉烟气 的余热被转换成空气的物理热而得到回收利用， 烟气排出温度可降到 150，空气可预热到 800 左右的高温，热回收效率达到 85%以上。这样 不仅可以节约大量能源，还可以大大提高燃料的 理论燃烧温度，缩短熔炼时间，减少烧损率。加 上其他相应的节能措施的综合效果，燃料可节省 30以上。并且，由于炉气含氧量得到了有效的 控制，铝液的烧损也相应得到控制，在理想状态 下，铝耗可降低 23 个百分点。 再加上，双室 双循环炉加上铝液循环泵和漩涡加料井，有效地 解决了低密度碎薄料的加入方案，大幅度提高了 易拉罐碎片的溶入率，使得总铝收得率最佳可达 97以上。 2010年第 11 期（总

21、第 143期） 18 - 18图 2 机械循环泵和漩涡加料井技术方案示意图 2.2.3 低温熔炼技术在废铝易拉罐熔炼的应 用 国内一些再生铝企业在熔炼易拉罐废铝时， 为了使加入的高熔点合金元素（如 3004 合金中的 锰）能充分溶解入铝液，往往将铝液温度提高到 850-1050，把炉膛烧的通红，然后再投料， 工人这样做的目的是为了加快熔化速度。这样会 产生二个问题：一是高温加速了铝及各种合金元 素的氧化烧损，加大了铝及合金元素的损耗，还 因高温下铝液表面的氧化膜失去了保护功能，铝 液吸气严重，导致铝液冶金质量恶化；二是为了 提高铝液温度，能耗也势必大幅度增加。同时， 为保证铝液的冶金质量，又必

22、须加大精炼变质的 力度，增加精炼剂和变质剂的用量，延长处理时 间，这样又进一步提高了铝液的处理成本。因此， 生产过程中使用我所自主研发的国家发明专利 “再生铝低温熔炼法”（专利号： ZL2008101068735） ，简单说就是采用适当的温度 下用适当的搅拌方法，来加快合金元素的溶解， 实现再生铝在 630730下熔炼和调质，从而实 现了高效率低能耗，并获得优质的铝液。 2.3 铝熔体精炼净化及晶粒细化技术路线 精炼净化就是采取相应的精炼变质措施控制 铝液的冶金质量，使其针孔度、氧化夹杂及金相组 织符合规定要求的优质铝合金液；细化晶粒则是使 获得的 3004 合金具有更好的综合机械性能，既要

23、有高的抗拉强度，还要有很好的塑性和延展性。 2.3.1 炉内精炼变质工序 在熔炼过程中精炼变质方法采用由我所的国 家发明专利技术“铝合金复合精炼变质方法” （专 利号：ZL 01105021.7）为主体的“稀土复合精炼 变质处理生产技术”来进一步提高再生铝冶金质 量。它根据不同稀土元素的不同特性，巧妙地搭 配形成复合精变剂。既发挥某些稀土元素变质功 能，实现长效变质和细化晶粒，改善了性能；又 利用某些稀土元素高电负性及储氢特性，在铝熔 体中固氢及去除氧化夹杂，实现对熔体的净化并 能维持 5-7 小时，使精炼变质效果达到了最佳状 2010年第 11 期（总第 143期） 19 - 19 态，有效

24、地改善了铝合金的冶金质量和性能。这 种复合精变处理工艺不产生有害废气及有毒物 质，并减少铝在处理中的烧损，大大减轻了环境 负荷，降低了生产成本，从而成为了真正绿色集 约化的铝合金熔体复合精变处理工艺。并且，由 于稀土独特的属性，不仅改善了铝熔液体的冶金 质量，提高了性能，还能使废品率大幅度下降， 这些都为废弃的易拉罐再生熔炼，重新制成能满 足冲压易拉罐要求的3004铝板坯提供了重要的质 量保证措施。 2.3.2 炉外在线除气工序 铝合金熔液在精炼后仍存在少量氢气、固体 废金属杂质物等有害物质，特别在半连铸生产线 上，铝液必须通过一定长度的流槽进行浇注。在 这个浇注流动过程中的吸气和氧化，会使铝

25、液出 现二次污染，使铸件形成气孔、疏松、夹杂等缺 陷，直接影响铝件的物理性能、力学性能以及使 用性能，因此有必要对浇注过程中的铝熔体进行 在线净化处理，除掉这些有害物质。 本流程的炉外在线除气系统拟采用湖南某厂 出产的 HKLDU-型在线除气净化装置，将该装置 接于铝液流槽，当铝水通过净化箱时，石墨转头 会伸入铝液对其进行除气处理，效果很好。 2.3.3 铝熔体过滤工序 在炉外在线除气装置的后端会使用浙江某厂 出产的铝液专用陶瓷过滤板，过滤粒径达 50um左 右，可进一步过滤铝液中的固体杂质，净化浇注 前的铝液。 2.3.4 铝熔体细化晶粒工序 细化金属凝固组织不仅可以提高材料的力学 性能，而

26、且可以改善成分及组织的不均匀性、减 小缩孔和疏松、减小热裂倾向，改善材料的后续 加工性能。促进金属生核是低耗高效地改善金属 凝固组织的关键。目前常规的细化晶粒都是采用 AlTiB 中间合金来增加合金液中的结晶核心， 从而 达到细化晶粒的目的。我们的研究表明，脉冲电 流和脉冲磁致振荡可使合金结晶凝固时大量增 核，可十分显著地细化各种金属材料的铸态组织。 并由于它是一种物理场增核，因此对环境和铸锭 （坯）均无污染，现场应用方便，成本低，有效 改善成分偏析、杂质富集，减小热裂倾向，减小 缩孔和疏松，是金属凝固组织细化的理想的工艺。 该技术已取得专利，并在生产实践中得到了应用， 获得了科技进步奖。生产

27、过程中拟选用这种行之 有效的物理场技术和常规的 AlTiB 细化技术相结 合的路线，使再生的 3004 合金板坯的性能更上一 个台阶。 3 结论 3.1 本条废易拉罐铝保级还原的熔炼制备 生产线，能生产满足轧制易拉罐罐体的达到 ASTM 美国标准要求的 3004 合金铸坯。 3.2 这条废易拉罐铝保级还原的熔炼制备 生产线的技术方案切实可行，工艺流程简捷可靠， 技术装备造价不高，大约几百万人民币，可以为 国内的再生铝企业所接受。 3.3 本技术路线集成了先进的蓄热式熔炼技 术、低温熔炼及稀土复合精炼变质等专利技术， 并配备了具有自主知识产权的废气二次燃烧及多 级烟气处理技术的环保设备，组成了一条清洁化 的生产线，大幅度降低了能耗、铝耗，避免了有 害气体对环境的严重污染，大大提高了废铝易拉 罐的使用价值，是一条可达到高值化利用的绿色 环保生产线。