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废铝再生预处理过程中的杂质分离和分类分选技术研究
高安江1，曲信磊1,2，刘璐2
（1.丛林集团有限公司 山东龙口 265705；
2.山东丛林铝资源再生研究中心 山东龙口 265705；）
摘 要：预处理是废铝再生的第一个工序，对后续的熔炼影响很大。良好的预处理需要将杂质进行分离，并按铝合金的成分牌号进行分类，本文着重介绍了一些目前比较先进的杂质分离技术和废铝分类分选技术，为再生铝预处理技术的研究及发展提供了参考。
关键词：废铝再生；预处理；杂质分离；分类分选；
中图分类号：X75
The research on impurities separating and sorting technology in the pretreatment process of the scrap aluminum recycling
Gao An-jiang1 ,Qu Xin-lei1,2，Liu Lu2
(Conglin Group Co., Ltd., Longkou 265705;
The Aluminum resources regeneration research center of ShanDong Conglin)
Abstract：Preprocessing is the first step of aluminum scrap regeneration, which had a great influence on the subsequent melting. Excellent pretreatment contains impurities separating and aluminum alloy sorting by grades. This paper introduces some advanced technologies of impurities impurities separating and aluminum scrap sorting, also provide references for the research and development on pretreatment technology of the aluminum recycling.
Key words: aluminum scrap recycling; pretreatment; impurities separating; sorting
引言
铝是目前世界上除钢铁之外用量最大的金属，广泛应用于机械动力、交通运输、建筑装饰、电子电器、五金家具、包装工业等各个领域。我国是目前世界上最大的铝生产和消费国之一，近11年我国原铝消费以年平均16.6%的速度增加，其中2011年中国原铝消费达到1800万吨。当各类铝产品的使用寿命周期到来时，必须要考虑如何处理这么庞大的废铝资源，其中发展再生铝是最为有效的途径，并具有显著的优点：与原铝生产相比，废铝再生利用可节省水电等能源达95% ，对环境的污染也大大降低，而且还可以降低铝合金制品的生产成本，因此具有良好的社会效益和经济效益。
发展再生铝首先要面对三大技术难题：废铝原料的预处理、成分的精确控制和熔体的精炼。其中废铝原料的预处理作为再生铝生产的第一步意义重大，其完成质量更是直接决定了后续工序能否顺利进行。
预处理技术与设备的普遍落后，也是制约我国再生铝产业发展的一个重要因素，因此对我国再生铝产业中的预处理技术与设备进行充分了解，学习国内外先进技术，对推动我国再生铝产业发展意义重大。
由于废铝的来源广泛，组成相当复杂，因此以其作为主要原料进行合金的二次加工，必须对原材料进行必要的预处理。通常的预处理过程需要实现以下目的：一、去除废铝中夹杂的其他金属和杂质；二、将废铝表面的油污、氧化物及涂料等处理掉；三、把废铝按其成分分类，分类依据是使其接近某种牌号铝合金的成分。
预处理技术包括杂质分离、分类分选、打包、清洗和烘干等，最终的结果是将废铝处理成符合入炉条件的炉料，其中对废铝再生后续工艺影响最大的工序就是废铝的杂质分离和分类分选。下面着重介绍这两工序一些先进的技术。
1废铝的分类及作用
废铝分为两类：新废铝与旧废铝。新废铝主要是指铝及其合金在生产过程中产生的废铝。旧废铝主要是指使用期满后报废的铝及铝合金零部件或整个产品。前者成分清晰，利用价值很高，一般做法是按照牌号分类保存，由生产企业自行回炉熔炼成原牌号合金；后者就是我们通常所说的废铝，需要进行分类分选处理。
按国家GB/T13586-2006，将废铝分为变形铝及铝合金废料、铸造铝合金废料、铝及铝合金屑、铝及铝合金碎片、铝灰渣等五大类，它们中的大部分用于生产再生铝合金，少部分成分单一的杂质含量低的优质废料也用于熔炼特定成分的铝合金，如废1350铝电线电缆可大量用于熔炼1350合金，废旧铝易拉罐可直接熔炼3004合金，废铝门窗可用于熔炼6063合金，需要说明的是为了进一步精确调定成分必须添加一定量的原铝锭或合金元素添加剂。
2废铝的杂质分离及分选技术
目前国内废铝的分选主要靠人工，使用的工具是磁铁、钢锉，凭的是经验，这种分选方法效率低、质量差、成本高；国外废铝的分选已基本实现机械化、自动化，能高效地分出非金属物质与非铝的其他金属，能将废铝大体上按合金系甚至按合金牌号分类。下面介绍一些目前比较先进的分选技术。
2.1分离轻质量杂质技术
原料中的夹杂杂质应在熔炼前去除，因为原料中夹杂的尘土会增大熔炼过程中各种添加剂的消耗量，浪费能源；废纸、废塑料、废橡胶等会造成环境污染。目前应用较为广泛的方法有两种：
2.1.1风选法分离废纸、废塑料和尘土
风选分离法是根据材料密度的不同，利用一定压力的风将废铝料中的轻于铝的杂质吹走。此法的主要功能是去除废纸、废塑料和尘土等。风选法工艺简单，能够高效地分离密度小的轻质废料，分离的废纸、废塑料等可作为燃料。但风选法必须配备较好的收尘系统和一个相对密闭的工作区域，以避免灰尘对环境的污染和人体的伤害。分选出来的废纸、塑料等一般做燃料用[1]。
2.1.2浮选法分离轻质杂质
浮选分离技术是利用材料密度差将材料分离的一种方法。该方法简单、容易实现，在欧美国家应用很广泛。浮选分离根据使用浮选介质的不同分为两类：干式浮选和湿式浮选。干式浮选采用的介质为干砂，通入高压空气产生气泡和对流作用，将其流化，废料进入流化床前需烘干及脱油。湿式浮选是当前应用最广泛的浮选分离技术，采用的分离介质是水或者水熔体，可以分离密度比水小的轻质杂质，如废塑料、木头、橡胶等轻物质，泥土可溶于水。主要设备是螺旋式推进器，废铝被其推出，污水进入沉淀池。
湿式浮选分离法能够将废铝中大部分的物质进行分离，但这种方法投资很大，在分离处理过程中为了保持分离介质密度不变，需要较大的分离容器及较好的封闭回路净化系统。这种方法还受废料形状的限制，如一些比重大的材料如果形状为空心，也可能上浮，从而影响分离效果。
2.2分离涂层及有机非金属杂质技术
对于一些带有涂层或有机非金属包装的废铝原料如废易拉罐、牙膏皮，等表面都有一层保护涂层和装潢油漆，铝导线表层都覆有塑料表皮，应先将这些杂质分离，减少对铝的烧损，降低熔体处理费用。
2.2.1湿、干法分离涂层
目前主要的先进除膜工艺有湿法与干法。湿法就是用某种溶剂浸泡废铝，使漆层脱落或被溶剂溶掉，此法的缺点是废液量大，一般不宜采用。干法又称火法，一般是在回转炉中焙烧，燃料可用回收废料上漆膜碳化释放的有机物气体，因而此法的热效率高。生产时，回转窑缓缓旋转，窑内废铝片与块相互碰撞与震动，最后碳化物从废铝上脱落。脱落的碳化物一部分在回转窑的一端收集，还有一部分在收尘器中回收。
2.2.2流化床法除漆
流化床法主要用于除漆，即脱除铝上的有机涂层，是加拿大铝业公司（Alcan）开发的，废杂铝上有机物的去除是通过热分解与高温氧化进行的。大多数有机物在温度高于450℃可完全分解。在流化床中，细小流化粒子有上升气流作用而处于悬浮状态，与沸腾液体相似。废杂铝加入床中后沉于床底，其上的有机涂层一旦与热的介质及流化气体接触，达到一定温度时就开始分解。介质温度应达到有机物能完全分解而又比废杂铝的熔点低一些。由于废料颗粒的表面积大，又处于运动状态，故流化床中的热交换速度比常规除漆装置内的快5-10倍。因而除漆效率高，温度均匀，铝的氧化少，即使是很薄的铝箔也不会熔化，铝的回收率高。
2.2.3加热与机械混合处理法分离表层杂质
对于导线类废铝上的有机非金属杂质，一般可用机械研磨或剪切剥离、加热剥离、化学剥离等手段去除。目前国内企业常用的是高温烧蚀的办法去除绝缘体，烧蚀过程中会产生大量的有害气体，严重污染空气。如果采用低温烘烤与机械剥离相结合的方法，先通过热能使绝缘体软化，机械强度降低，然后通过机械揉搓剥离下来，这样既能达到净化目的，同时又能够回收绝缘材料。
2.3分选金属杂质技术
目前回收的铝合金零件中很多都是与Fe、Cu等其它金属的组合体，因此原料中大多含有含量较高的非铝元素，如Fe的含量一般会达到0.8%，Cu的含量也都超过1%。因此，为了保证生产出化学成分符合标准要求的铝合金产品，在分选阶段将这些金属杂质分离出来就变得尤为重要。
2.3.1磁选法分选废钢铁等磁性废料
用磁选设备可以分离废铝中有磁性的废钢铁等。铁是铝及铝合金中的最有害的杂质之一，应在预选工序最大限度地去掉。磁分离法的工艺简单，投资少，效果明显，容易被采用。按磁源不同，磁分离可分为永磁和电磁两类。永磁分离具有以下优点：结构简单、重量轻，不需要整流及其他控制装置；磁场均匀，分离效率高；维修方便；能在较高温(70℃)下连续工作，而电磁分离工作温度不能高于40℃，因此永磁分离技术应用更为广泛[2]。磁选设备形式多样，比较简单且投资少的是传送带的十字交叉法。传送带上的废铝沿横向运动，当进入磁场之后废钢铁被吸起离开横向皮带，立即被纵向带吸起，运转的纵向带离开磁场后，废钢铁自动落入收集箱。此法处理的废铝料体积不宜过大，大块废料必须在破碎后方可进行磁选。
2.3.2抛物分选法分选铜、铅、锌等重有色金属
此法是利用各种体积基本相同的物体在受到相同力被抛出时，落点不同的原理，从废铝中分选密度大的重有色金属，如铜、铅、锌、锡等。最简单的实验可在水平的传送带上进行，当混杂的废料在传送带随着传送带高速运转，当运转到尽头时，废杂铝沿直线被抛出，由于各种废弃物的重力不同，分别在不同点落地，从而达到分选的目的。此工艺在日本、美国等获得应用，但设备价格不菲，国内尚未采用。
2.3.3涡流法分离各类非铝物质
金属材料在交变磁场中时，其内部会形成涡电流，而磁场对带涡电流的金属会产生一个排斥力，即洛伦磁力。当这个力大于金属颗粒所受到的重力、离心力、摩擦力等抵触力时，就会将金属颗粒从正常的皮带运送轨道上的端头弹出一段距离。
由于非金属受到的洛伦磁力为0，不同的有色金属由于电导率和密度不同，它们所受到的洛伦磁力也不同，因此不同颗粒产生平抛运动的距离也不同，在此基础上可以将它们进行分离。涡流分离投资较大，分离效率高，生产成本低，能将铝废料与非金属，如塑料、玻璃、橡胶等进行分离，也能将铝和其他有色金属如铜、镁、锌等进行分离。但此法对于小颗粒(10mm以下)分离效率不高，因为这些小颗粒产生的洛伦磁力很小，很难将它们分离[3]。
2.3.4静电法分离绝缘体类
静电分选是利用电场的作用将金属导体与绝缘物体分开。处在电场中的物体，不论成分如何，都带有电荷，电荷的大小取决于电机的极性和物料的特性。在电场相同的情况下，金属导体所获得的电荷较绝缘物体大。当带电物体同接地导体接触时即放出自身电荷，放出电量的多少取决于电阻、电容和接触时间。对金属导体来说，由于其电阻较低，在与接地导体接触时其所带电荷会迅速释放出来而不被吸附，而绝缘物体保持自身电荷的时间较长，因而易被吸附。这就是静电分选的基本原理。静电分选机滚筒表面的金属物体瞬间释放出自身电荷后落入料桶，而绝缘体则随滚筒一起转动而留在滚筒表面，之后再落入另一个料桶。
2.4废铝的成分分选技术
最理想的分选方法是按合金成分把废铝分成几大类，如铝镁合金、铝铜合金、铝锌合金、铝硅合金等，这样就可以减轻熔炼过程中的除杂技术和调整成分的难度，并可综合利用废铝中的合金成分。为了将废铝按纯铝、铸铝、变形铝它们各自的成分牌号进行分类，近年来国外开发出很多的新技术，主要有下面几类分选技术。
2.4.1颜色分选技术
颜色分选技术是基于检测金属废料颗粒颜色的计算机图形分析过程，不同颗粒的颜色在一定的范围内，因此可以自动的从废料中被检测出来。为了使这种技术更有效，需要建立废料颗粒链状的图像系统。这种技术不受颗粒的形状和大小的影响，分离效率很高，HVS公司采用这种技术能够将99%的镁与铝分离。上世纪90年代，HVS公司用这项技术分离锌、铜、黄铜、不锈钢，得到的纯净度大于98%，现有的计算机技术能够对废料进行实时的分析和控制。这种技术还能够对废铝进行合金系的分类，在计算机检测前，废料颗粒需要进行腐蚀。不同成分的合金腐蚀后，呈现出来的颜色不同，如含高镁、硅的铝合金呈灰白色，而高锌、铜的合金呈黑色。采用氢氧化钠溶液腐蚀后，可以区分2系、3系和7系铝合金。再采用硫酸铜和盐酸，可以区分5系和6系合金。但这种技术区分不了同一系列的合金，如高锌、低铜合金和低锌、高铜合金显示的颜色差不多。另外该技术受温度、表面粗糙度、腐蚀的时间影响较大。在进行分类处理时，需要配备特殊的光源系统和强大数据处理能力的单元来分析结果[4]。
2.4.2 X射线荧光分析技术(XRF)和光发射光谱分析技术(OES)
XRF分析技术是采用X射线照射到金属材料表面会产生荧光，不同的材料由于原子量不同，产生的波长也不同，因此通过荧光进行光谱分析确定其波长就可以区分各种材料[5]。OES分析技术通过电弧、火花照射到颗粒的表面，蒸发并被激发原子基态之上，释放出光谱，光敏探测器通过读这些光谱从而确定颗粒的成分。对于铝的成分分析OES要比XRF准确，因为铝受X射线照射后的特征能量很低，很容易被空气吸收，因此在空气中这种方法适合分析重金属。另外XRF不能分析相同平均原子量接近的合金。这两种方法可以分为工作台试和手持式两类。工作台分析设备分析结果准确，但分析时间比较长，需要几分钟，甚至几个小时。手持式XRF和OES设备最近分别由Niton公司和Spectro公司开发推向市场，这种设备分析速度较快，只要几秒到几分钟，能够对材料进行定量分析，能够显示出样品各种元素的含量，估计为何种合金，但是分析结果不够准确。
2.4.3激光致熔光谱分析技术(LIBS)
激光致熔光谱分析技术原理如下：先用一个激光器烧蚀传送过来的废杂铝块（件），净化其表面，然后用另一个激光器将光束打在从传送带掉下来的废杂件的表面，使材料小量蒸发，产生小而高发光的等离子云团，再用发射光谱定量测出其化学成分。采用该项技术能将铸造铝合金与变形铝合金分开，特别是各种变形铝彼此分开，较之手检慢而低效的分检过程更有利于批量运作。一个工业规模的分检中心每年可同时分析分检454吨废杂铝，这是利用高技术改造传统产业的典型范例。该技术能提高再生铝的附加值，降低成本，提高效率，可大规模用于再生铝的预处理过程，是2001年初美国的汽车铝业联盟报道的一项新技术。
LIBS技术不需要接触颗粒，能够精确地对铝合金按牌号进行分类，随着计算机处理能力的发展，该技术能够快速、准确、大批量的处理铝废料。工业应用的LIBS设备2001年由HVS公司开发，该设备装备50个激光头，传送带以2m／s的速度进给，每秒能分析70多个不同的废料颗粒[6]。
3结语
废铝的预处理是废铝再生利用工艺的重要组成部分，随着再生铝技术水平的提高，预处理技术将越来越重要。快速、准确低成本、连续的使废铝杂质分离，按铝合金按牌号分类，以达到废杂铝最有效地综合利用，这正是再生铝预处理技术研究的主要方向，也是未来的发展方向。目前我国在这方面还处于刚起步阶段，和发达国家还有的一定差距，这就需要我们在消化国外先进技术的基础上，通过技术创新，积极探索研发相关技术及设备，使我国在废铝预处理技术上达到国际先进水平，届时我国再生铝产业发展的格局很可能会因此而改变，这对推动我国再生铝产业具有非常重大的意义。
参考文献
[1]肖亚庆．铝加工技术实用手册[M]．北京：冶金工业出版社．2005．
[2]王祝堂．废杂铝再生现代预处理技术与冶金处理工艺(1)[J]．轻金属，1991．4：51-55．
[3]P.C．Rein, P．A．Leest, A．J．van den Akker．A model for eddy current separation[J]．Inl．J．Miner．Process．1997,49：193-200．
[4]Paul B．Schuhz, Rebecca K．Wyss．Chemical treatment of aluminum alloys to enable alloy separation[P]：US Pat．6100487．2000-8-8．
[5]Edwad J．Sommer, Robert H．Parrish．High speed materials sorting using x-ray fluorescence[P]：US.761673382．2009-11-10．
[6]范超，龙思远，李聪，等.废铝分类分离技术的研究进展[J].轻金属，2012. 7: 61-64.