一、前言
鋁合金以其優異的性能被廣泛運用于國民經濟的各個行業，目前鋁硅合金的生產主要有兩種方法：(一)原生鋁熔煉配制合金；(二)廢舊鋁合金回收再利用。廢鋁再生利用能耗低，能耗只有原生鋁生產的5%[1]，回收實得率高，可以多次回收利用。而且再生鋁生產投資小，收益期短，比原生鋁配制生產鋁硅合金具有很大的成本和能效優勢。近十幾年來，我國鋁再生行業發展迅猛，其中僅舊易拉罐回收利用率達60％以上，2001年我國廢舊鋁合金凈進口量達到360.019萬噸[2]。但從總體來看，我國鋁回收技術落后，分選、配料和熔煉工藝簡單，很多企業成分檢測和質量控制手段尚不完善，有的企業僅以鋁錠表面質量與斷口形貌來判斷產品是否合格，生產冶金質量不穩定，相當部分企業只能生產幾種低附加值的鑄造鋁合金，如副牌ZL102等。本文從我國廢鋁回收再生產現狀出發，對我國鋁再生過程中的冶金質量問題和現狀作了系統分析，對質量狀況改善途徑進行了討論，提出了建議。
二、鋁再生與環保
隨著人們環保意識的加強，學術界和產業界提出了綠色化生產呼吁[3]，要求材料在提煉、加工、制造、使用、回收再生過程中排放的氣體、液體、固體廢棄物對人類及環境無害，或達到容許的排放標準。廢鋁再生比原鋁生產，不僅大大降低能耗，而且消除和減少了電解生產鋁過程中的有害氣體和廢渣的排放。因此，廢鋁再生提高了社會經濟與環境效益，值得推廣。
鋁合金的再生有利于保護環境，增加鋁資源的利用率。鋁再生時，為了減少再生過程中的污染，實現再生生產的綠色化生產原則，上海大學在生產中采用稀土復合精變劑處理技術[4]大量減少了煙氣中的有毒物質，煙氣通過二級噴淋式吸附塔串接除塵，無需作進一步的處理即可達到煙氣排放標準。同時，由于稀土對再生鋁的變質與凈化作用，大大提高了再生鋁的冶金質量及其穩定性，降低了廢品率。
三、我國再生鋁生產工藝流程
常規優質再生鋁工藝流程如圖1所示。從圖中可以看到，再生鋁生產工藝流程中有三個中心環節：預處理工序、配料熔化工序、凈化變質工序，這三個工序緊緊地與獲得再生鋁的冶金質量聯系在一起。要獲得優質再生鋁就必須圍繞著這三個中心環節，把握住影響冶金質量的基本要素。目前來看，我國的生產企業主要是中小型企業，隨著人們質量意識的增強，這三個環節也越來越多地得到人們的重視，當然還應看到還有相當部分企業對此認識尚浮淺，為此，我們將主要從這三個中心環節著手逐個分析我國再生鋁的冶金質量。
四、我國再生鋁硅冶金質量現狀分析
1．預處理
預處理的目的是使廢鋁按合金成分分類、去水、去油污油漆、去其他金屬雜質。一般的工藝過程是：(一)大件和切片，按成分分類→去除其它金屬及嵌件→烘燒去油污油漆；(二)粉狀物與廢碎料，分類→干燥去水→磁選、風選、拋物分選[5]→焙燒；(三)易拉罐，切碎(→焙燒除漆) →壓塊。發達國家在分選廢料時使用專用設備，如采用重力分選和磁選等。我國絕大多數企業基本上采用人工分選，先把易分選已知成分的大件和切片單獨堆放，然后再將碎廢鋁進行人工分選。可以看到，有些小型企業在分選時，并沒有考慮到回收廢鋁的合金成分組成，這樣實際上就沒有把好冶金質量的第一關，不僅會降低再生鋁的品位，而且也浪費了資源。細小粉塊狀的廢鋁，由于不能很好的進行分選，成分組成復雜，不加處理就會在一定程度上影響了成品的化學成分，甚至導致整爐報廢，因此在一般的情況下謹慎使用，最好是在并塊并化驗成分后使用。
廢鋁原材料的表面處理尤其是對含有油污和油漆的廢鋁(如易拉罐)的除污，是改善再生鋁冶金質量的有效措施之一。我國大型企業在處理油污與油漆時常采用預熱烘爐中實現除漆、除油及除水，而大多數再生小企業由于受到自身條件的限制，并沒有除去廢件表面的油污油漆的處理工序，大都是直接投爐，這既嚴重污染環境，又容易帶氫和雜質進入熔池影響鋁錠冶金質量。
預處理工序是再生鋁生產流程的第一環節，把住這個入門第一關的質量對再生鋁的品位及冶金質量至關重要。預處理時嚴控水分，防止砂土、氧化夾雜、有機物質的帶入，把握住廢料的歸類分選，并加大投入，提高預處理水平，實現預處理的規范化是當前我國再生鋁生產所需解決的問題之一。
2．配料熔化
2．1配料
配料指按生產產品的成分要求，配制爐料。配料直接關系到能否生產出合格的產品。配料應遵循以下原則：以生產合格的產品為出發點，密切聯系本廠的廢鋁和原料的存貨，在已知庫存原料及廢料成分的前提下優化配制材料的比例。對合金成分范圍要求窄的產品，我國企業通常的做法是純鋁錠+合金化原料(中間合金)+成分已知的廢鋁；對成分范圍要求寬的產品，通常采用成分已知的廢鋁+合金化原料(中間合金)，在成分出現偏差時加適量的純鋁錠及中間合金。由于不同的合金元素合金化的方法有所不同，合金化硅時直接向合金中加入結晶硅；合金化鐵和銅時，為了減少成本一般直接加鐵片、鐵絲或紫銅絲，他們來源廣泛成本低廉，但它們的熔入時間長，熔入溫度高，增加了能耗和鋁液的燒損。并由于吸收率和加工工藝相關，往往會導致Fe、Cu含量的波動，因此在對成分控制較嚴的合金錠生產中往往采用加入A1-Fe和A1-Cu中間合金的方法。實際上，不管是采用中間合金合金化，還是直接使用金屬原料，不應只注重眼前利益，要根據成本效益比來綜合評價，確定配制什么料。總之，配料時，避免配料錯誤、把住原材料質量、明確廢鋁成分，就確保了再生鋁化學成分的第一關。
2．2熔化
熔化是廢鋁和原料從固態向液態的轉變過程，熔化時熔體與爐內氣氛、爐體壁和其它固體相接觸，會導致某些物質的熔入或滲入熔體，改變熔體的成分，進而影響再生鋁的冶金質量。我國再生鋁企業絕大多數使用熔化成本低的反射爐熔煉，少數大中型企業因特殊需求也配置一些電爐和感應爐。反射爐用燃油或煤氣作為燃料，成本比電爐低，但在冶金質量的控制方面不如電爐。
在熔化工序中，熔體二次污染是影響再生鋁合金冶金質量的主要原因，因此在生產操作過程中應注意以下幾點：首先，干燥爐料、精煉劑、精變劑和所有操作工具，避免帶入水。其次，爐料盡可能除去砂子、泥土和其他有害物，生產用的鐵工具要涂涂料，避免直接與鋁液接觸，導致滲鐵(鐵是嚴重影響再生鋁冶金質量的元素之一)。最后，選擇最佳的熔煉溫度、澆注溫度和澆注時間，盡量避免鋁液升溫過高，保溫時間過長。必要時，在加料前(如在換金屬品種和牌號時)還應用純鋁或相應合金洗爐，我國有些企業并沒有注意到洗爐對冶金質量影響的重要性。
在確保了冶金質量的前提后，另一個需要注意的問題是熔煉成本問題，熔化燃油的消耗和鋁液的燒損均直接影響成本。在實際生產過程中，通過對爐料預熱，可有效降低能耗10％-15％，選用非熔劑類精煉變質劑(如稀土復合精變劑)可以降低燒損[4]。通過以上的措施可以使再生產成本降低，同時也能比較好的保證冶金質量。
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3．凈化與變質
3．1凈化
再生鋁錠的含氣量及雜質含量直接影響合金鋁的力學性能以及工藝性能。凈化工序的主要任務是保證再生鋁錠的含氣量和雜質含量達到用戶標準，確保再生鋁錠的使用性能。精煉凈化常采用大家熟知的浮游法[6]。目前我國企業使用的除渣劑、精煉劑一般以氯鹽、硝酸鹽為主的精煉劑，這類精煉劑在處理過程中與鋁發生反應而產生諸如AlCl3、Cl2等有害氣體，這類氣體對環境設備及人身健康均帶來損害。在當前國家大力提倡可持續發展特別強調環保的形勢下，如何尋找綠色無毒無污染的替代品已是我國鋁合金熔煉企業迫切需要解決的問題。采用N2或Ar精煉雖無環境問題，但效果欠佳。國外一些企業采用動態真空除氣法、SNIF法、Alpur法、MINT法[7]雖均可取得成效，但這些方法通常適用于大型連續鑄造的熔爐而不適用于我國90％以上用反射爐生產再生鋁的企業。上海大學近年發明的復合精變方法就是針對我國鋁生產企業用爐特點而研發的無公害綠色精煉變質方法[4]，它不僅解決了再生鋁冶金質量問題，而且還確保周邊環境質量，是一種值得推廣運用的技術。澆注時，在鋁錠澆注口前安置過濾網或陶瓷過濾片過慮鋁液，進一步凈化鋁液減少渣和氧化皮帶來的產品質量和皺皮問題，該法在我國再生企業中運用的相當廣泛。
3．2變質
鋁硅合金的變質處理是為了改善合金中硅的形態，從而改善鋁合金力學性能的工序。目前我國常用的變質劑有以下幾種：(一)鈉鹽變質劑，屬于短效變質劑，變質效果好變質失效也快。雖然鈉鹽能起到變質效果，但由于它破壞了熔液表面致密的氧化膜，導致鋁液重新吸氣氧化，惡化冶金質量，尤其是對ZLl02。因此生產這類共晶鋁合金錠時不主張使用短效變質劑[8]。(二)普通長效變質劑，(1)鍶(Sr)，常用A1-10％Sr和A1-14％Si-10％Sr中間合金。變質效果可保持6～8小時，它的孕育其較長，孕育時間為40分鐘，而且相對價格高，來源困難，限制了它在鋁再生中的應用[6]。另外，鍶也會使熔液表面氧化膜疏松，使針孔度加重，為了確保冶金質量中針孔度達到標準要求，通常要采用必要的除氣措施，不單獨使用該類變質劑。(2)鋇、碲、銻、鋇雖對共晶型Al-Si合金具有長效變質效果，但不少試驗證明，這些元素的變質效果受到冷卻速率的很大影響，并且精煉劑、除渣劑會強烈降低鋇等元素的變質效果[6]。因而在再生鋁生產中很少應用。(3)稀土類變質劑，稀土不僅能對硅相有變質作用，而且還在細化a—A1方面有明顯的效果，實踐還表明經稀土變質后具有變質效果的遺傳性[4／9]。可以看出，就以上三類變質劑相比而言，稀土變質劑變質效果好，并有一定的凈化作用，還有利于環保，效果穩定，成本合算，是再生鋁生產優先選用的變質劑。
3．3爐前冶金質量控制
爐前冶金質量控制是確保生產合格鋁錠的極為重要的一個環節。通過爐前分析可以避免發生重大的冶金質量事故，挽回一些損失，降低成本。爐前質量檢測和控制通常采用兩種手段：化學分析法，光譜分析法。前者分析精度高，但其分析時間長，往往跟不上流水線生產的節拍，而且還受到操作者的水平和分析環境的影響。后者，分析速度快捷，使用方便，雖說設備價格昂貴些，但仍運用廣泛。在檢測產品成分超標和不達標時，必須進行成分調整。在澆注前，除了要保證化學成分外，還有檢查針孔度，通常采用宏觀腐蝕劑腐蝕后金相統計，有些合資企業配置了熔鋁氫氣分析儀進行爐前質量控制。當含氣量超標時，通入N2、Ar除氣直至合格。
五、結束語
廢鋁再生是一個利國利民的事業，也會給企業帶來豐厚的利潤，然而必須看到，目前我國再生鋁企業生產中存在的冶金質量問題正在直接影響著我國再生鋁向縱深方向發展。作者對我國再生鋁生產工藝流程作了詳細調研，具體分析了鋁再生過程中的預處理、配料熔化、凈化變質三個主要生產環節對我國再生鋁合金冶金質量的影響，提出了改善冶金質量的相關建議和方案。值得提及的是在三個主要生產環節中，凈化變質環節很大程度上制約了我國企業生產高附加值產品。因此，我們應加大技改和新工藝的投入，突破技術上的頸瓶，淘汰落后工藝和設備，促進我國再生鋁行業由現在的數量擴張型向質量效益型轉變。相信在不久的將來我國的再生鋁行業將會出現環保與效益雙贏的局面。
