回收鋁料成分識別與保級再生
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張佳虹1 邢書明1 程炳超1 郭 強(qiáng)2 李志琴2 王如芬2 臧立國2
（1．北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院；2．天津立中合金集團(tuán)有限公司）
摘要廢舊鋁已經(jīng)成為鋁合金熔鑄業(yè)的重要原料，如何在工業(yè)條件下對其進(jìn)行成分識別與保級再生是鋁合金熔鑄行業(yè)
的關(guān)鍵問題之一。通過對比y射線、激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析(LIBS或LIPS)以及X射線等成分識別方法，提出了它們各自 的應(yīng)用模式和“固態(tài)廢舊鋁牌號化識別”的新概念。在現(xiàn)有廢雜鋁再生工藝的基礎(chǔ)上，提出了基于“固態(tài)牌號化識別十液態(tài)精確分析”識別模式的廢雜鋁保級再生工藝流程，該流程為解決廢舊鋁再生流程中需要反復(fù)進(jìn)行成分調(diào)整的問題提供了一
個新的途徑。
關(guān)鍵詞廢舊鋁；回收鋁；再生；熔鑄；成分識別
中圖分類號 TG146. 21 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 024
鋁料可分為以鋁礦為原料生產(chǎn)的原鋁（俗稱電解鋁）和鋁產(chǎn)品報廢后形成的回收鋁（簡稱廢舊鋁或廢雜鋁）兩大類。其中，回收鋁料經(jīng)過分選、識別和再利用的生產(chǎn)過程稱為回收鋁的再生，其產(chǎn)品稱為再生鋁。根據(jù)回收鋁與再生鋁的成分與質(zhì)量接近程度不同，將回收鋁的再生分為保級再生和配給再生兩大類。如果再生鋁與回收鋁具有相近或相同的化學(xué)成分和質(zhì)量級別，這種再生稱為保級再生（也稱原級再生）；如果僅將回收鋁視為鋁合金熔鑄的部分原料，通過配加大量的原鋁或其他冶金原料，所得鋁合金的成分、質(zhì)量級別與回收鋁存在明顯差異，這種再生則稱為配級再生。
原鋁的主要生產(chǎn)方法是電解法，它是高能耗、高污染和高投入的“三高”產(chǎn)業(yè)；相比之下，回收鋁的再生過程則是一個能耗小、污染小、投入低的綠色過程。據(jù)統(tǒng)計，保級再生鋁的能耗僅相當(dāng)于生產(chǎn)原鋁能耗的5%左右，其CO2排放比原鋁減少90%;生產(chǎn)It再生鋁比原鋁的SO2排放減少0.6 t、節(jié)水10. 05 t、固態(tài)材料減少11 t。因此，發(fā)達(dá)國家的再生鋁在鋁消費中的比例已經(jīng)超過了60%。因此，如何實現(xiàn)回收鋁保級再生既是鋁工業(yè)的前沿課題，也是一個關(guān)乎國家金屬材料工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略問題。
只要知道了回收鋁的化學(xué)成分和質(zhì)量特點，就可以盡量保持其原有的成分和特性，利用鋸切、變形、鍛造或沖壓、熔鑄等工藝獲得新的零件或型材。顯然，保級再生是最“綠色”的再生，也是廢舊鋁回收與再生的較好途徑。但是，要實現(xiàn)保級再生，就必須對回收鋁進(jìn)行準(zhǔn)確的成分識別和質(zhì)量識別，即確定其所處的“級”。事實上，即使是配級再生，也需要知道回收鋁料的化學(xué)組成及其含量。因此，廢雜鋁的成分識與保級再生十分重要。本課題在對國內(nèi)外回收鋁識別技術(shù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，提出了回收鋁保級再生的工藝流程。
1 回收鋁的抽樣分析識別技術(shù)
回收鋁成分復(fù)雜、質(zhì)量差異顯著。雖然在金屬回收過程中進(jìn)行了預(yù)處理和分類，但是，其分類大多較為粗糙，化學(xué)成分大多未知。
為了使回收鋁成為冶金原料，就必須對其進(jìn)行成分識別。目前普遍采用的是抽樣分析識別技術(shù)，即對每批回收鋁料進(jìn)行抽樣，熔化后采用光譜分析技術(shù)或化學(xué)分析技術(shù)進(jìn)行成分分析，獲得其化學(xué)成分。然而，該結(jié)果僅對送檢樣負(fù)責(zé)。由于回收鋁樣本的復(fù)雜性和抽樣的
局限性，這種“以點代面”的識別方法對于鋁合金熔鑄企業(yè)而言只能是一個參考。這就是目前我國回收鋁很少保級再生，而是以配級再生為主的根本原因所在。
2 可用于回收鋁的化學(xué)成分識別技術(shù)
2.1 y射線成分識別技術(shù)
y射線在線成分分析技術(shù)是利用中子源轟擊金屬表面，使其發(fā)射出特征y射線，根據(jù)各元素特征譜線的強(qiáng)度確定元素含量的一種化學(xué)成分分析方法。該技術(shù)在礦山領(lǐng)域，用來檢測各種金屬礦中的Fe、Ca、Si、Mg、Al、S、M n、Ti等各種元素及氧化物。近年來開發(fā)了回收鋁的y射線在線成分分析技術(shù)，成功研制了用于廢雜鋁合金的在線成分識別的設(shè)備。該設(shè)備能識別鋁合金中的Cu、M n、Fe、Ni、Cr以及Si、Mg、Zn等元素的平均含量，最大可穿透料層深度300～450 mm，識別速度達(dá)到了20 t／h，識別精度可達(dá)±(0.04～0.20)%。據(jù)豐田公司使用結(jié)果的統(tǒng)計，使用該設(shè)備進(jìn)行在線識別帶來的鋁合金成本增加僅約為0. 012美元/kg。
y射線在線成分分析技術(shù)與抽樣識別相比，最大的優(yōu)勢在于可以得到每批料的平均成分，而不是一個小樣的成分。由于其料層穿透深度大，檢測區(qū)內(nèi)的物料量大，所以，識別效率很高，這對于回收鋁的配級再生具有重要的意義。但是，這種識別方法最大的問題在于不能對廢雜鋁進(jìn)行連續(xù)的逐塊（個）識別，因此，尚不能據(jù)此進(jìn)行完全意義上的回收鋁保級再生。此外，該設(shè)備費用過高也是限制其工業(yè)應(yīng)用的一個重要方面。
2.2激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析成分識別技術(shù)
激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析技術(shù)(Laserinduced break-down spectroscopy，簡稱LIBS)，也稱激光誘導(dǎo)等離子體光譜法（簡稱LIPS），它是采用脈沖激光作為誘發(fā)發(fā)射光譜的能量源，基于高強(qiáng)度的脈沖激光與材料相互作用，產(chǎn)生等離子體；隨后利用光譜儀對等離子體輻射的光譜進(jìn)行分析，即可獲得被測物質(zhì)的成分和含量。其識別技術(shù)具有無需制樣、直接快速、樣品損失量小、靈敏度高等特點，適用于固體、液體和氣體的成分識別，在合金元素分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。正是基于LIBS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，國內(nèi)外學(xué)者近年來在LIBS基礎(chǔ)理論
及實際應(yīng)用等方面開展了大量有意義的研究。但是，LIBS分析技術(shù)的準(zhǔn)確性、精確性和靈敏性受激光的波長、激光脈沖的能量、功率密度、樣品特性、緩沖氣體的種類及氣壓等多因素的影響，用于回收鋁的在線成分識別還需要進(jìn)行工程化的技術(shù)開發(fā)。LIBS技術(shù)已經(jīng)在休龍谷鋼鐵公司得到了生產(chǎn)應(yīng)用，可以將Al-Si-Mg合金與Al-Mg合金分揀開來，證實了LIBS技術(shù)進(jìn)行回收鋁成分識別的技術(shù)可行性。
美國TSI公司也進(jìn)行了LIBS技術(shù)對廢雜鋁成分識別的技術(shù)開發(fā)，目前可實現(xiàn)對連續(xù)輸送過程的回收鋁進(jìn)行逐塊成分識別。但是，目前的識別效率較低，對于塊度在30～50 mm、塊重100 g左右的廢雜鋁，其在線識別效率只能達(dá)到1 000 kg/h左右。最近，該公司又推出了便攜式LIBS分析儀（見圖1）。該儀器可以對大塊回收鋁直接進(jìn)行成分識別、牌號鑒定和合金料的分揀．其識別、鑒定與分揀的過程只需要1 s，效率極高，但無法進(jìn)行連續(xù)識別。該儀器在回收料場更加適用，也可用于鋁合金熔鑄的爐前離線分析。
2.3 X射線在線識別技術(shù)
利用X射線進(jìn)行物相的定性與定量分析是成熟而周知的技術(shù)。其工作原理是，當(dāng)某物質(zhì)（晶體或非晶體）被X射線照射時，會產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象，物質(zhì)組成、晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構(gòu)型和構(gòu)象等決定該物質(zhì)產(chǎn)生特有的衍射圖譜，通過對衍射圖譜的分析，即可獲得物質(zhì)的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)類型。這一技術(shù)在廢雜鋁成分識別領(lǐng)域已經(jīng)獲得了大批量應(yīng)用。其應(yīng)用模式主要有在線分揀與便攜式抽檢兩種。
X射線在線分揀模式是，在大批量廢雜鋁輸送線上，實現(xiàn)Mg、Al、Si、P、S等小原子序數(shù)的輕金屬與M n、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等原子序數(shù)較大金屬的分揀。這種應(yīng)用模式不需要也不能細(xì)致識別每一塊物料的詳細(xì)成分和含量，只能從混雜的回收鋁中挑出大原子序數(shù)的M n、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等金屬。這樣得到的回收鋁合金料，通過進(jìn)一步的抽樣分析或重熔檢驗，即可得到其平均成分，可以供后續(xù)合金熔煉使用。因此，X射線在線分揀模式可以用于回收料場，也可以用于鋁合金熔鑄企業(yè)。
X射線便攜式抽檢是一種人工抽樣分析模式，即在回收鋁料場或其入庫或人爐的過程中，對選定的料塊進(jìn)行照射，在2～3 s時間內(nèi)即可得到其詳細(xì)的成分和含量。便攜式X射線熒光分析儀(XRF)就可以實現(xiàn)這一功能（見圖2），它能直接顯示所測料塊的合金牌號及金屬成分含量，可分析C d、Ti、V、Cr、M n、Fe等元素；Mg、Al、Si、P、S等輕質(zhì)元素的分析能力極佳；自帶的合金庫中有500多種合金牌號，用戶可自定義300種合金牌號。標(biāo)準(zhǔn)值與實測值偏差小，元素含量偏差不超過0.5%。但是，由于這種識別方法是小點瞄準(zhǔn)分析模式，所以主要用于大塊均質(zhì)物料的牌號化識別，用于復(fù)雜小塊混雜回收料的成分識別時，識別效率難以滿足生產(chǎn)需要。此外，該方法難以對原子序數(shù)小于14的元素進(jìn)行進(jìn)一步的區(qū)分與識別，也限制了其應(yīng)用。
綜合上述分析可見，X射線成分識別技術(shù)用于剔除大原子序數(shù)的金屬材料方面有獨特的優(yōu)勢，適用于廢舊金屬回收業(yè)進(jìn)行大批量物料的成分識別與按大類分揀；射線識別技術(shù)用于回收金屬的類別已知情況下進(jìn)行平均成分檢測具有特殊的優(yōu)勢，適用于廢舊金屬回收業(yè)廢舊金屬分揀后的進(jìn)一步成分分析；而LIBS技術(shù)在大塊廢舊鋁件在線逐件成分識別方面具有獨特的優(yōu)勢，適用于鋁合金熔鑄業(yè)進(jìn)行爐料的成分識別�；赬射線和LIBS技術(shù)的各種便攜式分析儀均可實現(xiàn)選定料塊的人工快速成分識別，但難以用于大批量連續(xù)在線識別。
3 廢雜回收鋁的成分識別與保級再生建議
隨著以鋁代鋼步伐的加速，鋁合金熔鑄業(yè)中廢雜回收鋁料（簡稱廢雜鋁）的占比會逐年提高，因此，如何獲知廢雜鋁的成分是鋁合金熔鑄工廠面臨的一個共性關(guān)鍵問題�，F(xiàn)有的任何一種識別技術(shù)都難以同時達(dá)到既快又準(zhǔn)的識別要求�？刹捎�“固態(tài)牌號化識別十液態(tài)精確分析”的兩步式成分識別來解決這一問題。所謂的“固態(tài)牌號化識別十液態(tài)精確分析”的兩步式成分識別模式，包括廢雜鋁料入庫前的平均成分牌號化識別和出庫入爐熔清后的采樣精確分析兩個步驟。
3.1 回收鋁料的固態(tài)牌號化識別
國家標(biāo)準(zhǔn)對回收鋁根據(jù)雜質(zhì)含量和塊度進(jìn)行了分級，但是，這種標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注商品化的廢舊鋁的收得率（出成率），而對于廢雜鋁的化學(xué)成分關(guān)注不足。然而，回收鋁中的成分復(fù)雜，僅依靠傳統(tǒng)的熔鑄過程去除有害雜質(zhì)元素是非常困難的，所以，鋁合金熔鑄企業(yè)必須對廢舊鋁進(jìn)行固態(tài)識別后再入庫。
固態(tài)識別包括基本識別和牌號化識別兩個層面�；咀R別就是目前已經(jīng)在用的根據(jù)回收料的物理性狀進(jìn)行的大類識別與分揀。例如，利用X射線識別技術(shù)挑出其中的Cu、Zn、Fe等非鋁料，區(qū)分開生鋁與熟鋁。顯然，僅靠這個層面的識別還無法對廢雜鋁定“級”，當(dāng)然也就不能實現(xiàn)真正意義上的保級再生。
牌號化識別包括廢雜鋁牌號的定義、按牌號識別和分牌號入庫3個內(nèi)容。即首先依據(jù)廢雜鋁合金化學(xué)組成的類別和含量，設(shè)計出一系列廢雜鋁牌號。這種牌號不同于鋁合金標(biāo)準(zhǔn)中的合金牌號，更像是中間合金或合金料的牌號，只界定主要合金元素含量范圍和雜質(zhì)元素（有害元素）容限。同一牌號的廢雜鋁的主合金化元素類別相同，雜質(zhì)元素（有害元素）含量在規(guī)定的限度內(nèi)。然后，采用前述的X射線、y射線或LIBS技術(shù)等成分識別方法對廢雜鋁進(jìn)行批式固態(tài)平均成分的識別，并根據(jù)主合金元素和雜質(zhì)元素來確定其牌號；最后，將經(jīng)過識別的回收鋁按牌號分別入庫。這樣，就可以根據(jù)目標(biāo)合金的成分要求，選用主合金元素含量接近、雜質(zhì)元素符合容限要求的廢雜鋁作為主要原料，進(jìn)行配級再生，甚至保級再生。
可見，這種固態(tài)料牌號化識別的任務(wù)不在于確定每 一塊料精確的化學(xué)成分，而是要確定“保級再生”的原始“級”。這樣識別后的廢雜鋁料就像各種合金料一樣，有了自己的牌號和成分范圍，供配制各種鋁合金使用。
3.2液態(tài)料精確分析
經(jīng)過牌號化識別的固態(tài)料已經(jīng)有了自己的平均成分范圍，可以認(rèn)為是成分已知的冶金原料了。但是，它畢竟還只是平均成分，同一料倉中的每塊料的成分還有一定差距。因此，當(dāng)這些廢雜鋁入爐熔化后的整體成分還需要再次識別。再次識別的時機(jī)取爐料完全呈熔融態(tài)最好，因此，這次識別稱為液態(tài)精確識別。對這種熔融態(tài)的回收鋁合金取樣進(jìn)行爐前快速識別或者進(jìn)行在線識別，就可以得到比較精確的化學(xué)成分。雖然得到的也是平均成分，但是其物料狀態(tài)已經(jīng)是流動性較好的熔 融態(tài)，因此，可以認(rèn)為整爐各處化學(xué)成分是均勻的。這種情況下，只要取樣或觀測點是熔體本身，識別結(jié)果就可以代表整爐熔體的化學(xué)成分。
選擇液態(tài)精確識別方法的基本要求是“快而準(zhǔn)”。目前，對熔融態(tài)的鋁合金進(jìn)行直接在線識別的儀器設(shè)備還未見報道。雖然，眾所周知的直讀光譜分析法( OES)可以對鋁合金進(jìn)行離線快速精確識別，但是它需要制樣，且設(shè)備的工作環(huán)境要求較高，需要經(jīng)歷“取樣一制樣一送樣一檢驗報告”等環(huán)節(jié)，一般來說，每次分析的時間一般在5～10 min，在滿足‘快”的要求方面不盡如人意。
建議采用各種便攜式分析儀進(jìn)行爐前快速分析。 因為這些方法不需專門制樣，只需經(jīng)過“取樣一冷卻凝固一扣動扳機(jī)”3個步驟，即可讀出整爐合金液的化學(xué)成分，整個過程可以在1 s至數(shù)秒內(nèi)完成。
此外，LIBS技術(shù)也可以用來進(jìn)行熔融態(tài)金屬的在線成分分析。在鋼鐵材料中已經(jīng)證實了其可行性，只要解決了采樣保護(hù)管壽命短的問題，就可以用于鋼鐵冶金工業(yè)生產(chǎn)。在鋁合金熔鑄業(yè)中，其熔體溫度低，保護(hù)管的壽命問題明顯改善，因此，利用LIBS技術(shù)進(jìn)行鋁合金液的在線成分識別難度不大，有望成為一個可以工業(yè)化應(yīng)用的在線成分識別技術(shù)。
通過“固態(tài)牌號化識別十液態(tài)精確識別”，可以得到詳細(xì)準(zhǔn)確的廢雜鋁化學(xué)成分，將這一識別結(jié)果與目標(biāo)成分進(jìn)行詳細(xì)對比，即可提出進(jìn)行保級再生的成分調(diào)整方案（也稱二次配料方案）。在成分調(diào)整時，所用的物料不再是成分未知的廢雜鋁，而是化學(xué)成分確切已知的合金料和純金屬，所以，可以經(jīng)過一次成分調(diào)整即可命中目標(biāo)成分，實現(xiàn)了廢雜鋁的保級再生。
3.3廢雜鋁保級再生的工藝流程
在鋁合金熔鑄工廠里，其目標(biāo)是得到化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的鋁合金錠或鋁合金液。現(xiàn)行的熔鑄生產(chǎn)流程見圖3。其中初級配料的任務(wù)是確定各種大類廢雜鋁（如生鋁、熟鋁、鋁屑、原鋁）的占比，由于原料成分未知，無法得知熔化后的化學(xué)成分，一般都是熔清后進(jìn)行
取樣分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行二次配料和成分調(diào)整。由于廢雜鋁中的雜質(zhì)元素復(fù)雜，經(jīng)常需要多次分析與調(diào)整才能得到滿足要求的成分，帶來了嚴(yán)重的額外能耗和燒損。
如果基于前述的“固態(tài)牌號化識別”，則入爐物料的平均化學(xué)成分是已知的，也就是說熔化后廢雜鋁的成分已經(jīng)在牌號層面已知了，熔清后的化學(xué)成分與目標(biāo)成分比較接近，一般不會出現(xiàn)雜質(zhì)元素超限的事故；再經(jīng)過“液態(tài)精確識別”，其化學(xué)成分就可以在產(chǎn)品牌號要求范圍的層面已知，只需添加必要的成分已知的合金料或純金屬進(jìn)行成分的微調(diào)即可達(dá)標(biāo)，最終實現(xiàn)了回收鋁合金的保級再生�？梢�，它省去了二次配料和反復(fù)的成分調(diào)整，基本做到了一次配料即可命中目標(biāo)成分。
4 結(jié) 論
(1)X射線、y射線和LIBS技術(shù)都可以用于回收鋁料的成分識別。X射線成分識別技術(shù)在剔除大原子序數(shù)的金屬料方面有獨特的優(yōu)勢，適用于廢舊金屬回收業(yè)進(jìn)行大批量物料的按類分揀；），射線識別技術(shù)在回收金屬的類別已知情況下進(jìn)行平均成分檢測具有特殊的優(yōu)勢，適用于廢舊金屬回收業(yè)廢舊金屬分揀后的進(jìn)一步成分分析；而LIBS技術(shù)在大塊廢舊鋁件在線逐件成分識別方面具有獨特的優(yōu)勢，適用于鋁合金熔鑄業(yè)進(jìn)行爐料的成分識別。
(2)建議嘗試采用），射線或LIBS便攜式合金成分分析儀進(jìn)行爐前成分快速識別，以縮短分析時間。
(3)“固態(tài)牌號化識別十液態(tài)精確分析”的兩步式識別模式為實現(xiàn)保級再生提供了便利，基于這種識別方案的熔鑄工藝流程省卻了反復(fù)的成分調(diào)整，可以做到一次命準(zhǔn)目標(biāo)成分，杜絕雜質(zhì)元素超限事故。
