铝渣处理的研究

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1、 .铝渣处理的研究摘要： 铝渣是熔化铝金属的副产品，它是铝金属和含有少量其他成分的铝氧化物的混合物。铝渣的类型和性质取决于熔化的方式、初始时加入的原料、熔化温度、搅动情况，它与熔化过程中的变化关系不大。 本文将研究当前普遍采用的铝渣处理的常规做法以及实验性和建议性的处理方法，同时讨论将来如何处理铝渣及其副产品剩余物，检验工厂按常规方法回收金属铝的效果。着重讨论“铝金属回收总量”。 铝渣不是废物，而是一种有重要价值的副产品。简单讨论了使铝渣使用价值最大化的可靠高效的处理工艺和操作方法。 从金属铝第一次被熔化开始，铝渣就是不可避免的副产品。热力学表明只要有氧气存在暴露的铝表面附近，铝就会氧化，产生

2、各种成分的铝氧化物。在大部分的铝渣中仍剩余足够的可提炼的含金属的铝，以适当增加经济利益。在许多地方，铝混合物和其他成分的铝氧化物被混为一谈，统称为“铝渣。为使命名法合乎标准，铝业协会出版了一本说明和定义铝渣不同成分的小册子。小册子使用四种重要的鉴别特性： 铝渣发生变化的根源熔炉的类型，例如反射炉，旋转炉等 铝渣中盐化合物的含量铝渣中存在多少及什么类型的含盐化合物熔剂 铝渣中含铝的量再处理前铝渣中铝的含量是什么?对这一点的重要性需要认真详细的说明，因为对铝含量的不同分析方法会得出不同的可获得的铝或游离的铝的数量。尤其是非常小的铝珠可以通过化学分析被显示和计量，但是可能由于它们太小，以至于在传统的

3、回收过程中无法再生。 铝渣的组成铝渣的物理尺寸和外形是什么，例如厚块，薄块，结渣，或块料?一铝渣的主要成分1白色铝渣 白色铝渣是金属含量在1580之间变化的铝氧化物和铝金属的混合物。它是铝在炉子的炉床内熔化期间，熔化的铝在炉子或坩埚之间运输期间产生的。 铝渣通过“扒渣”的操作被收集，手工操作者从炉子中捞出漂浮的混合物，或者在现代化的大炉子的环境下用自动化的设备撇去漂浮的铝渣。在这两种情况下铝渣的混合物都被从炉子中捞出放入“渣箱”中存放并冷却，在后面将更详细地讨论从炉子中捞出的铝渣同随后的送到加工厂的铝渣可能是不一样的成分和性质。 除了铝金属和铝氧化物两种重要的铝渣成分之外，根据炉内的条件处理金

4、属材料和合金(除铝渣箱外)可能产生少量其他化合物，包括氮化铝(AlN)，碳化铝(A14C3)，也可能有冰晶石(Na3A1F6)。最后一种化合物常常与来自电解槽的原铝有关系，而前两种化合物的成分与发生在炉子内或铝渣箱中的铝热剂反应有关。 铝热剂反应是发生在金属铝和空气中的气体之间的无法控制的化学反应。铝热剂反应产生极高的温度(1 500或更高)，这个温度让氧、氮、二氧化物同铝发生快速的化学反应，形成前面提到的化合物。铝热剂反应中的化学反应包括： （1） 2Al+32 O2(气体)A12O3(固体) （2） 2 Al+N2(气体) AIN(固体) （3）8Al+3CO2(气体)A14 C3(固体)

5、+2A12O3(固体) 当冷却的铝渣与湿气反应时铝渣中这些化合物的存在是显而易见的。同水、游离氨和乙炔气体的反应很容易通过它们特殊的气味分辨出来。 白色铝渣可能包含不是直接在炉子内生成的氧化物，例如从冷却的流槽中拿出的含金属的渣子，坩埚中结壳，片状物。最后，白色铝渣包含少量的或不含盐化合物熔剂。2黑色铝渣 许多铝废料回收厂使用炉外部带有凸出的加料池的反射炉进行装料。通过加料池把废料加入炉子内的金属熔池中是一个普通的操作。这个加料池内通常有一个含盐化合物熔剂层用来帮助保护熔化的铝液不被氧化，并提高废料的金属铝再生利用。在处理规格小或比表面积大(例如铝屑或UBC)的废料时这种类型的炉子特别常见。通

6、常使用氯化钠(NaCI)和氯化钾(KCl)熔剂及有可能加入氟化盐的混合物组成，氯化物熔剂是用来降低熔剂的熔点。这种在熔化过程中形成的含有熔剂的铝渣被称为“黑色铝渣”，因为它的特征是黑色。黑色铝渣由含盐化合物的混合物、氧化物和金属组成。含盐混合物熔剂在其熔点以上的温度时，黑色铝渣由两种不能相溶的铝金属和含氧化物颗粒的液体以及片状含盐化合物的液体组成。当含盐化合物溶剂中的氧化物含量增加时，混合物粘度变大，流动性变差。熔剂对含氧化合物的捕集非常有效。 黑色铝渣的金属含量根据加入的废料类型和处理条件而变化，但变化范围是735，特殊情况下会高达50。黑色铝渣的氧化物含量与熔剂含量几乎相等。3含盐化合沉积

7、物 因为前面提到的相同的原因，利用旋转炉熔炼废料和用含盐溶剂捕集溶渣，但是在生成的副产品中含盐化合物溶剂所含的氧化物的比率是不同的。这是两种典型的回收方法：“湿法”和“干法”。不同之处是加入的含盐化合物溶剂的数量和熔化的黑色铝渣熔液粘度。在“湿法”中，加入足够的含盐化合物熔剂，以形成一个流动性很好的熔化的含盐化合物液体熔池。在“干法”生产中，加入较少的熔剂，含盐化合沉积物流动性不好，含盐化合沉积物中的铝含量通常比黑色铝渣铝含量要低。二铝渣的金属氧化及其形成 由于白色铝渣的性质决定它是一种易变的原材料。形成的铝渣的数量和类型受回收工艺和原材料两方面的影响。两者都很重要，而且结果相互关联。 供给的

8、材料在熔化的过程中是暴露的，这样的炉子环境将对铝渣形成有很大影响； 不同类型的炉子会有不同的环境，会形成不同类型的铝渣； 氧化性气氛将会形成更多的铝氧化物； 高温通过增加运动加速氧化； 直接的火焰冲击可引起局部的高温并伴随高速氧化； 高熔化率可能引起局部区域的高温。 静止的金属熔池存在热层化和表面温度高，也就是说，铝渣被长时间留在炉内，铝渣中的金属将被氧化的可能性增大。加入铝的物理性质不同，在熔化过程中也可能造成不同的铝渣组成。重要的变量有镁含量、铝片的大小和厚度、有机物涂层。 几种研究已经注意到熔化损失和废料的物理性质。熔化损失被定义为炉膛的金属损失。它通常是铝渣中的金属和金属氧化成的铝氧化

9、物的混合物。研究的目的是为了测定金属损失的数量，了解金属为什么损失和怎样把损失降低到最小。了解这些损失对这个讨论是非常重要的，因为这些损失的金属变成了铝渣。随之发生的，对复查他们的结果有指导意义。 Stewart和Me Cubbin研究片状料的厚度范围，镁含量和有机物涂层在一个22Kg的燃气炉中对熔化损失的影响。他们证明厚度减少对熔化损失有极大的影响(见图1)。厚度在2mm以下，熔化损失以指数倍增加。这种上升可归于几种因素。当铝片开始加热熔化时，形成紧密粘附的氧化膜。当氧化膜内的铝熔化时，由于重力的原因它将会流走，较大的铝滴可以流出，而较薄的片中的铝滴由于表面张力的平衡力量而不能流出。根据第一

10、定律测量其物理性质，Van Linden和Vild经过计算并用机器制造出重力和表面张力相等情况下的铝片厚度，在Stewart和Me Cubbin的实验数据的基础上，他们发现关键厚度是tcrit=15mm。在这个厚度以下的范围，单独的重力作用不能将铝从氧化膜中释放出去。 Stewart和McCubbin也发现了镁含量在铝熔化损失中的作用，对于厚片(l5mm)镁含量增加在铝熔化损失中作用很小。然而，对于薄片(05mm)将镁含量由0增加到25，熔化损失翻了一倍。这是因为含镁铝合金氧化膜比纯铝的氧化膜更厚而造成的。 最后，Stewart和MeCubbin分析了在熔化损失中油漆和涂层的作用，在任何情况下

11、，有涂层的地方熔化损失就会增加。把废料浸没在金属熔池中熔化将导致熔化损失最大。因为浸没的废料释放出易挥发的化合物而使熔化金属表面形成铝渣。在另一熔化实验中，涂层也不通过改善氧化膜的厚度有效地阻止它们的结合。 最近，Rossel提供了熔化损失中类似的研究结果，他的实验在一个燃气床炉内进行，装废料200Kg，他检查了四种变化：废料的几何条件、金属温度、熔化时间、成分(Mg和Zn)。 他发现了废料厚度，Mg含量和熔化损失之间相似的相互关系。他还发现在与不含Mn的合金的比较，Mn的存在只有很少或没有影响。Rossel也证明了温度越高和熔化暴露时间越长，熔化损失也就越大。温度对较小块废片影响非常重要，如

12、图2所示的工业纯铝。温度对含镁铝合金的影响是非常鲜明的。三铝渣处理的历史 从回顾铝工业历史的著述中来看(1940年之前)，早些年处理铝渣再生金属含量没有引起人们的注意。原因可能是在那个时期有限的铝产品只产生少量的浮渣。虽然按百分比计算，铝渣应该与目前一样或更多。在有限的资料中，l930年的一篇文章阐明了从铝渣中再生金属的两种方法： 一种是白色铝渣通过筛选除去氧化材料。这个过程将含铝量较高的材料与大部分氧化物材料分开，从而获得含铝较高的材料。这种含铝量高的材料被送回反射炉中用于金属再生。 另一种是将铝渣加入到含盐化合物溶剂完全覆盖的金属熔化池中。典型的含盐化合物溶剂由氯化锌或氯化锌和冰晶石的混合

13、物组成。采用人工或机器搅拌(机器搅拌铝渣和化合物熔剂便于使金属小滴从氧化膜中脱离)。 在很多情况下，白色铝渣原料经过简单的积聚后除去氧化物而不必考虑它的金属含量。 在二战之后，铝产量开始增加，利用铝渣再生铝的数量也开始增加。到1967年美国的铝供给比l945年增加了7成。但是铝渣处理方法与l930年相比似乎没有很大的发展。另外一个参考资料论述了磨碎除去氧化物，用水洗去杂质处理方法。 在上个世纪70年代早期，美国铝的回收开始增加时，旋转炉变得更加流行。最普通的旋转炉类型是一个固定的轴线，带“湿”熔盐池，单个燃烧嘴的炉子，例如在Barmet使用的炉子。这些炉子随着铝渣的加入要使用大量的含盐化合溶剂

14、，以使铝渣浸没在熔池内含盐溶剂的液体里，炉子两端开口，燃烧器设在一端，而废气从另一端排出。由于炉子在一个固定的轴线上操作，熔化的铝通过放铝口从炉子中流出。当放铝口在液体线之上时，炉子旋转使放铝口在金属下面，当金属铝流干时，含盐化合沉积物才开始通过放铝口，这时将炉子旋转使放铝口在液体线之上。通常第二个较大的开口被用来放出含盐化合沉积物。这些炉子通过能够处理铝渣和各种其他难以处理的废料显示出它的多用途。 第二种形式的旋转炉在上个世纪80年代初期更加流行。这些炉子通过不定的倾斜的轴线，装有两个燃烧器，和一个“干”化合物熔池。采用倾斜的炉子使含盐化合沉积物更容易排出，含盐化合沉积物不必是液态。这允许加

15、入铝渣时使用较少的含盐化合物溶剂。采用倾斜的炉子，燃烧器和排气口必须装在旋转炉的同一端。装有两个燃烧器的燃烧器系统供给的热量大，使得炉子热效率更高。减少含盐化合沉积物的数量以减少含盐化合物沉积物中的金属损失总量，从而获得较高的金属再生利用。四推荐铝渣再生利用方法和研究趋势 在北美，旋转含盐旋转化合物炉是处理铝渣的主要方式。它通常使用天然气燃料加热。但是，不同规模的其他炉型也在工业上占有一席之地。经济和环境控制两种因素制约推出新的设计和方法。对全球所有地方来说大部分的经济因素是平等的，而环境控制不一样。对于处理铝副产品的方法控制，特别是含盐化合沉积物，欧洲国家与美国相比是非常不同的。大部分欧洲国家已经制订了政策，含盐化合物的副产品，如含盐化合沉积物不能送到掩埋式垃圾处理场。但是相反地，含铝金属、含盐成分化合物和氧化物原料必须再生回收。另一避免化合物副产品送到掩埋式垃圾场的可取之处便是不使用含盐化合物溶剂处理铝渣。在