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September

2012

浅谈再生铝产业

发布时间:2012-9-21 13:35:15693次

据富宝资讯报道:

  铝作为国民经济发展的第二大金属材料,可分为两大类:原铝与再生铝。 原铝(Primary aluminium)是指采用霍尔-埃罗法(Hall-Heroult)即钠冰晶石(Na3AlF6)-氧化铝(Al2O3) 熔盐电解法生产的,温度约 950℃的液态铝是用虹吸法从电解槽中吸注到抬包内,过秤后注入混合炉。2011年全世界原铝产量43000kt,中国的产量19650kt,占全球总产量的45.7%;预计2012年全世界原铝产量约44720kt,中国的产量约21550kt,占全球总产量的48.2%,在2015年以前会继续保持这种态势。 再生铝是指用75%以上的铝及铝合金废料(Scraps of aluminium and alminium alloys)经重熔与调整成分后供铸造用的铸块或熔体铝,再生铝(Secondary aluminium)又称二次铝,2011年全世界再生铝产量约14000kt。

  废铝分类

  废铝可分为两大类:工艺废料,工厂在生产与加工半成品铝材与加工件时各道工序产生的废料及废品,它们大都在工厂就地用于配制合金消费掉了,很少流入社会或卖给别的企业;废铝是指使用期满后报废的铝及铝合金零部件或整个产品,收集与分类后卖给铝加工厂、铸造厂或再生铝厂,通常所说的废铝就是指的这一类。

  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。每一类又分为若干组,如变形铝及铝合金废料有8组:铝电线、铝电缆、铝导电板,包括光亮铝线、混合光亮铝线、旧铝线、旧混合铝线、废电线、新钢芯铝绞线、旧钢芯绞线、导电板;铝箔,包括新铝箔与旧铝箔;铝易拉罐,含新易拉罐、旧易拉罐、易拉罐压块、易拉罐碎片、打捆易拉罐;铝板含新PS基板、旧PS基板、涂漆铝板、飞机铝板、低铜铝板、同类铝板、混合新铝板、杂旧铝板;散热器片即铝散热器片;边角料指新边角料与混合边角料;器具即铝器具,指锅、盆、瓶等构成的废铝。

  铸造铝合金废料有5组:铸锭,指杂铝铸锭,是以废铝熔铸成的锭或块;活塞包括无拉杆铝活塞(由不含拉杆的洁净铝活塞构成的废铝),带拉杆铝活塞以及夹铁铝活塞(由含铁铝活塞构成的废铝);汽车铝铸件;飞机铝铸件;其他包括同类铝铸件(同种牌号的、新的、洁净的、无涂层的铝铸件、锻件和挤压件构成的废铝)与混合铝铸件,它包含各种洁净的铝铸件(可包括汽车或飞可铝铸件)混合构成的废铝。

  第3类为铝及铝合金屑,有同类铝屑(同种牌号的、洁净的铝合金屑构成的废铝)与混合铝屑(多种牌号的、洁净的、未腐蚀的铝合金混合构成的废铝)两组。

  第4类为铝及铝碎片,有铝碎片与混合碎片两组,前者指含有铝及铝合金的干燥切片构成的废铝,后者是由铝、铜、铅、锌、不锈钢、镍、锡等有色金属(其中可能混带有石块、玻璃、橡胶、塑料和木料)构成的废铝。

  第5类为铝灰渣,分为三组:熔渣(撇渣),是铝及铝合金在熔炼过程中产生的松散状或块状撇渣构成的废铝;炉底结块,是由铝及铝合金炉底结块构成的废铝;第三组为铝及铝合金熔铸过程中产生的铝灰。

  废铝中不允许混有易燃、易爆、有毒、有腐蚀性或带有放谢性的物品,不允许混有医疗废物或密封容器。废铝表面的杂物应尽量清除。块状废铝单件的最大外形尺寸由供需双方商定。

  废铝的进出口

  中国是全球最大的废铝净进口国,与进口量相比,出口量可忽略不计。根据海关的历年年报,中国从1990年起进口量超过5kt(进口 5.490kt)到2011年进口2685.733kt止,这22年共进口废铝21134.609kt,平均进口量960.66kt/a;出口 140.016kt,平均出口6.364kt/a,净进口总量20994.593kt;平均净进口量954.3kt/a。这期间净进口量的年平均增长率为 70.69%。

  在1990~2011年期间废铝净进口量的年平均率这么大,说明中国对铝的需求旺盛,说明中国经济处于持续高速发展期。2011年废铝的净进口量呈负增长(-5.90%),这也是一个标志性的数字,至少说明两点:一是中国GDP上升速度开始放缓,二是中国可回收的废铝增加。

  可回收的废铝知多少

  铝及铝合金废料通称废铝。在国民经济建设用的金属中,铝的可回收性是最高的,这有四方面的意思,一是说铝有很强的抗腐蚀性能,在大气中几乎不发生腐蚀,仅在其表面形成一层薄若蝉翼的氧化铝膜,实际上这层氧化铝膜比蝉翼还薄,其厚度仅约5nm(纳米),其质量可忽略不计,同时它很致密,氧透不过,既能阻挡氧进入,也就是说一旦形成就会保护铝不再发生氧化反应,它的形成速度极快,“新鲜”的铝一暴露于大气中,就会立马与氧发生氧化反应,形成氧化膜。如果铝上的氧化膜被破坏,会在瞬间形成如故的新膜,这就是说铝及铝合金的表面氧化膜有很强的“自愈”能力;二是说废铝在复化的重熔过程中的能耗低,烧损少,废铝在重熔过程中的能耗相当于原铝提取总能耗(铝土矿开采、氧化铝提取、原铝生产能耗总和)的5%左右,即约870kWt(t再生铝);排放的废弃物还不到原铝提取的1/25,社会效益十分显著,提取1t氧化铝需要2t铝土矿,产生固态废弃物——赤泥约1t,赤泥虽不是有毒物质,却是有害的,是一种碱性物质,含碱物渗入农田进入水系,会造成危害,污染环境,同时存放它需要很大空间,需要筑坝围堵,一旦溃坝,后果不堪设想,同时需占有大片宝贵的农田资源,在氧化铝提取过程中需消耗大量的水,排出的水都受到不同程度的污染,电解铝时,生产1t原铝需消耗约450kg炭素,炭变成CO2与CO,以温室气体形式排入大气,电解生产铝时还会排放含氟气体,虽然这些氧化物大部分得到回收,但是还有不可忽视的量排入大气,会造成危害,因为氟化物有毒,而废铝以天然气或柴油重熔时仅放出CO2,若燃烧不完全还会释放少量的CO,但它们的量比电解时排放的少得多;四是用现代化技术与装备生产的再生铝品质可完全与原铝的品质相当,例如用废建筑铝材熔炼的6063合金锭完全可用于挤压新的6063合金建筑型材,用废旧电线熔炼的导电铝合金压各项指标方面与用Al99.7E重熔用锭生产的无任何差别。

  铝材投入使用后的服役期限长短不一,长的如建筑及结构的使用期限可长达五六十年或更长时间,短的如啤酒及饮料罐投入市场四五十天就可开始逐渐得到回收。如果中国的平均回收期按18年计算,同时可回收率按72%估算,则1t铝在使用500年后还剩约100g,可见铝是“生命周期最长的金属,是可回收最强的金属,是再生效益最大的金属,真不愧是“寿比南山的”最长寿的金属。

  铝的可回收率为什么按72%计算呢?这是笔者长期工作得出的一个数字,虽不能很精确,但作为估算与作为宏观监控还是不离谱的。因为有些铝的投入使用后就烟消云散,再也收不回来了。那些铝无法收回呢?做鞭炮、燃料、油漆等的铝粉;制造药品、化工产品、净水剂等的铝;炼钢作为脱氧剂的铝;冶金中作为合金元素的铝,在制备镁合金、铝青铜、钛合金、高温钢、锌合金时都要消费相当多的铝;包装药物与食品、有些饮料(啤酒封等)、化妆品等用的双零铝箔等;制造炮弹、燃烧弹等用的铝;制造航天器用的一部分铝;三片罐的是拉盖与易撕盖;与钢铸铁及其他材料连接无法拆卸的小铝件;熔炼过程烧损的铝;铝材加工过程中损耗的铝,如平轧时磨下的铝粉,挤压煮模损失的铝,表面处理蚀洗的铝与转化、阳极氧化的铝,钢板、钢带镀铝或铝-锌合金消费的铝等等。笔者经过细致的处理与评估之后得出铝在一次使用周期可回收的铝为72%的可供参考与使用的数据。

  这72%的废铝是指可以回收的并不是实际回收率,实际回收率比此数小得多,笔者认为全世界的实际回收率为60%。实际回收率依时间、地区、国家与地点而定,发达国家的回收率对某一种产品的可能高一些,而对另一种产品又可能低一些,总体来说,发展中国家较高。例如就全铝易拉罐的回收率来说,美国的只不过 60%左右(2011年),巴西的80%以上,瑞典的92%,中国的则在99%左右。据笔者调查,在中国有四五道回收关,家庭回收、小孩回收、拾荒者回收(拾荒者至少有三拨)。从理论上讲,易拉罐的可回收率应为98%以上,可是实际回收率不会超过75%,因为美国消费了全球50%以上的易拉罐,而它的实际回收率甚低。

  建筑铝废料的实际回收率95%,汽车用铝的实际回收率90%,轨道车辆铝件的在95%以上,航空航天器报废与退役后铝的回收价值比其使用价值低得多,因为它们使用的是2XXX系及7XXX系合金,这两系合金的废料不相容,拆解时很难将其分开,混料的使用价值大大降低。美国将退役的飞机保存于干燥沙漠中,而不拆解,以后如何处理不知道,俄罗斯曾一度将报废的飞机卖给中国。

  自1888年开始生产原铝以来,至2011年全球共生产了约8.6×105kt原铝,社会上积蓄的铝约6×105kt。

  再生铝生产工艺

  中国近期及今后相当长的时期内,生产再生铝及铝合金用的废铝来源有两方面,一是从国外进口的,这是主要方面,进口废铝就是进口资源与能源,就是在节能减排,就是在保护环境,何乐而不为呢!二是国内回收的废铝,由于社会上积蓄的铝还不多,铝制零部件的报废高潮期尚未到来,所以回收的废铝还远不能满足国内经济建设的需要。

  由于废铝的成分复杂,还受到不同程度的污染,因此再生铝的生产工艺与以重熔用铝锭为原料生产变形铝合金与铸造铝合金的工艺有很大不同,更要复杂些,生产流程也更长一些。

  再生铝生产工艺流程的第一步就是分选归类又称预处理,分选得越细,归类得越准确,再生铝的化学成分就会越精确,经济效益也就越高,因此分选归类就成为再生铝生产极为重要的一道关键工序。分选归类的原则与目的是,去除废铝中混杂的其他金属与非金属;二是按成分或合金牌号分类,使废铝成分得到充分利用;三是将废料的油污、涂料、水分等清除干尽,使废铝完全符合入炉条件;四是使废铝中的铝得到最经济最合理的利用。

  国外废铝的预处理已机械化、自动化,但国内的预处理技术还十分简单与落后,即使大型的再生铝厂与合资企业也没有比较先进的技术,几乎全部靠人工分选归类,分选人员占企业人员的50%以上,使用的工具是磁铁、钢锉,凭的是经验与眼力,效率低,质量也不尽如人意,成本虽然也有些优势,但已无进一步较大提高效率的潜力,因此,应采用先进的成熟的预处理技术。

  先进的预处理技术就是在机械化自动化的生产线上对废铝进行分选,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。目前先进的废杂铝预处理技术主要有:

  风选法。此法的主要功能是去除废纸、废塑料和尘土等,工艺简单,能够高效地分离密度小的轻质废料,但生产上应有强力的灰尘收集系统,避免扬灰污染环境,分离的废纸、废塑料等可作为燃料。

  磁选法。用磁选设备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。磁选设备形式多样,比较简单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,废钢铁失去磁性而自动落入收集箱。此法处理的废铝料不宜过火,大块废料在破碎后方可进行磁选。

  浮选法。大都以水为介质,可以分离其密度比水的低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。

  抛物选矿法。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。用相同的力沿直线射出密度不同而体积大体相等的物体时,各种物体会沿抛物线方向运动,在落地时有不同的落点,从而分离不同的物体。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。

  涂层的干湿法处理。多数废旧包装容器如废易拉罐、牙膏皮、化妆品管等表面都有一层保护涂层与装潢印刷油漆,同时它们壁薄表面积大,一些企业往往不作任何处理而直接回炉,不但加大了铝的烧损,而且加重了铝中的杂质含量,熔体处理费用也有所上升,排放的烟气也增多。因此在预处理过程中必须去除废铝上的各种涂层,主要的先进除膜工艺有干法与湿法。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、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。

  废铝零件往往有一些镶嵌件,它们是以钢或铜合金为主的非铝件,在熔炼过程中不及时扒出,就会导致再生铝成分中增加一些不需要的成分如铁、铜等。因此,在再生铝熔炼初期,即在废杂铝(非均一的高等级洁净废铝)刚刚熔化不久就必须有一道扒镶嵌件的工序,俗称扒铁,把废杂铝中的尚末熔化的铁、铜块等扒出,扒得越及时越干净,于生铝的成分就越易于控制。扒铁时熔体温度不宜高,温度升高会有更多的铁、铜等熔解,虽然温度比它们的熔点低很多,扒铁也可以视为预处理的一部分。

  经预处理后的废铝就可以装炉熔炼了,铝合金熔炼的基本任务就是把某种配比的炉料投入熔炼炉内,经过加热和熔化得到熔体,对所得熔体成分进行调整,添加或降低某些元素的含量,得到合乎要求的合金熔体,并要严格控制熔体中的气体与氧化物夹杂等,使熔体的主要合金元素及杂质元素含量合乎要求,以确保铸件具有优良的品质。

  铝及铝合金熔体有强烈吸氢倾向,使铸件产生气孔与疏松,也极易氧化,生产氧化物夹杂。因此,防止和去除熔体中的氢与氧化夹杂(AL2O3)便成为再生铝熔炼过程中最突出的关键问题。

  再生铝的熔炼铸造过程如下:

  装炉-熔化(加铜、锌、硅等合金元素)-扒渣-加镁、铍等(如必要)-搅拌-取样-调整成分-搅拌-精炼-扒渣-转炉-变质处理及静置-净化处理-铸造。

  正确装炉对减少金属烧损及缩短熔炼时间起着重要作用。再生铝熔炼多用反射炉,装炉时先在炉底铺一层铝锭,放入易烧损料,再装废铝料,再压上铝锭,熔点较低的回炉料装于上层,使其最先熔化,流下将下面的易烧损料覆盖,从而减少烧损。

  与发达国家的主要差距及展望

  中国不但是原铝产业大国,而且已成为一个初级强国。但与世界原铝强国相比,在不少方面还存在着较大差距,而再生铝产业与国外的差距则要大得多,无论废铝预处理方面还是在再生铝熔炼-铸造方面,以及研发技术与力量方面都存在着相当大的差距。

  首先在预处理方面:中国几乎全是人工分选,而发达国家则实现了机械化与自动化,形成了电脑控制的连续生产线,风选生产线也相当普及。多数再生铝在配料方面还比较粗放,大多数企业没有采用先进的计算机管理系统,有待进一步精细化,在熔炼方面采用的炉型有侧井反射的、双室的、水平回转式的、倾斜回转式的、感应式的、常规反射式的、坩埚式,这些炉中国都有,但主要问题在热效率与环保方面,发达国家的熔炼炉平均热效率已达到68%,个别的可达80%,排放物都能达到当前当地严格的环保法规与条例要求,特别是欧洲的再生铝企业做得最好。中国中铝青岛铝业公司与南海铝业公司都引进了先进的侧井式反射炉,热效率可达 65%,是中国当下最先进的熔炼炉之一,总体上中国再生铝行业的平均热效率还不到42%,而且环保方面还面临着一些亟待改进的严竣挑战。实际上我们与国外最大差距在创新与研发方面,虽然早在上世纪60年代就在徐州建立了全国性的再生资源在研究单位,但在有些方面还跟不上国民经济持续高速发展需要。国外一些企业生产的再生铝的品质可以赶上用重熔用铝锭配制的合金的,中国一些中小再生铝企业的产品品质还有很大的改进潜力,氢含量、金属杂质及非金属夹杂物含量普遍偏高。

  中国再生铝工业是朝阳产业,再生铝产量处于供不应求的态势,2012年,国内再生铝消费量将达5800kt,约为原铝消费量的28%,今后会逐年有所增大,2020年可增长到31%左右。在此需指出的是,对一个国家来说,讲原铝/再生铝产量比值没有实际意义,因为此数大小并不能说明工业化程度高低与资源利用情况。然而原铝表观消费量/再生铝表观消费量比值大小却有着一定的实际意义,比值越大表示工业化程度高,资源利用程度也越好,而产量比值大小却不能说明这些问题,因为某个国家或地区可根据资源、能源、地域情况确定是否发展原铝和/或再生铝产业,例如日本、韩国、中国台湾地区在上世纪70年代世界石油危机后决定停产原铝而发展再生铝工业,而发展再生铝工业也是有度的,以前满足需求为准,因为它毕竟不是高技术产品,附加值不高,还要消耗一定的能源,排放一定量的对环境不利的物质。

  中国是一个废铝进出口大国。2011年进口2685.733kt,出口1.20kt,净进口2684.526kt,这种局面将继续延续下去,至少在 2030年以前会如此。另外,由于拆解进口废旧机器获得了约600kt废铝,所以进口的废铝可以认为约为3300kt。如果按83%的实收率计算,可获得再生铝约2700kt。

  国内回收的废铝尚未到高峰期,大致2015年将迎来高峰期的第一年。2011年国内回收废铝约3600kt,折合再生铝约3000kt,所以当年中国再生铝的产量约5700kt。在今后10年内产量的年平均增长率可达12%,2020年的产量可超过15700kt。这是乐观的预测,由于国内回收的废铝逐年上升,进口的废铝会有较大下降,同时国民经济的发展处于稳中求进的平稳发展阶段,GDP的年平均增长率有可能在7.5%左右;因此,再生铝产量的年平均增长率有可能不大于10%,如果按10%估算,那么2020年的再生铝产量可能只有13400kt,也许这是更可靠些的预测。

  中国到了建设生产能力100kt/a废全铝易拉罐项目的时候了。废易拉罐是一种回收价值高的品质好的废铝,回收后又可以制成轧制3104合金罐体薄带材的扁锭,2012年中国罐料(罐体料与罐盖料之和)的消费量已近300kt,如果能回收约30%,可获得约100kt优质罐料,在熔炼与调整成分时应加约20%重熔用铝锭等可得到约105kt3014合金扁锭,这类项目宜建在罐体料生产厂附近,凡3014合金带卷产量≥200kt/a的企业都具备了建设废旧易拉罐再生项目条件,可分两期建设,各期生产能力50kt/a。对一个年消费制罐料(罐体料与罐盖料之和)大于300kt/a的国家来说,回收 60kt/a废罐应该完全可以做到。目前,中国的废罐回收率虽是世界上最高的,但是都用于再生别的合金,这不符合精细的循环经济理念,没有做到物尽其用,是对资源的一种浪费。

  对再生铝产业,环保是一个很重要的问题,发达国家对再生铝行业不但制定了严格的环保法规,而且监督机制完善。按欧洲标准,排放的烟气的粉尘含量不得超过10mg/m3,废水污染含量不应超过10ppm/L,而中国再生铝行业特别是一些中小企业排放物还远达不到此标准,有待改进,应进一步加强对再生铝行业的管理,加大准入制度管理与建设,分期分批淘汰落后生产能力,加强环保措施等。

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