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摘 要
电解铝生产过程中必然产生大量铝灰，且铝灰中含铝量较高，极具回收利用价值。本文通过设计制作一种清包料筛分装置，实现了对清包料铝灰内金属铝的深度回收；将经筛分系统处理的剩余细铝灰再用于电解槽铝液覆盖，实现二次铝灰的循环再利用。试验结果表明，采用本文设计的回收方案和装置，能够最大限度地回收电解铝灰中的金属铝，产生了较大的经济效益；将铝回收后剩余洁净的细铝灰用于电解槽液覆盖，对电解生产没有明显不利的影响。
一、项目研究的背景及意义
废铝的回收与再生利用，现在已发展成铝工业产业链不可或缺的主要组成部分。废铝的回收与再生产业，为铝工业提供了数额巨大的二次资源。
这类资源中还有一种，就是常常被忽视、多数人觉得不太重要的铝灰。铝灰以其良好的再生利用性成为行业中铝的再生利用发展中的亮点，是铝工业发展必不可少的重要组成部分。发展铝灰回收与再生利用技术，在国民经济中具有主要意义，主要表现在：
（1）投资省，成本低，经济效益高。据统计，我国生产1吨再生铝与生产1吨原铝相比，可以节约投资87.5%，降低生产费用40%~50%。
（2）能源节约卓著。近年来我国电解铝行业节能减排压力巨大，而以废铝为主要原料生产再生铝能耗仅为电解铝的3%，废弃物排放也减少95%以上。据测算，若到2020年我国再生铝所占比重提高到60%，每年可节约铝矿石3.64Mt，节电1365GWh，节水91Mm3。
铝在冶炼、加工和回收过程中要产生大量废渣（铝灰）。我国铝灰保守估计产出量在420万吨/年以上，其中金属铝的含量超过220万吨。如果采用国际先进工艺技术处理，其中98%（215.6万吨）的铝可以回收，其余氧化物可以转化为绿色工业原料实现资源化循环利用。
目前，国内技术落后，铝的回收率不到55%，氧化物无害化、资源化处理技术还几乎是空白。2017年，我国420万吨铝灰中仅回收了121万吨铝，有99万吨铝变成了氧化物，危废总量由200万吨增加到299万吨。按每吨铝1.5万元估算，全行业直接损失150亿元。
在国内，电解铝生产企业的各类铝灰，基本上都是采用直接外卖给小型铝灰加工厂，简单的对铝进行回收后将灰渣废弃。也有生产企业将铝灰全部回用到电解槽上，与电解质一起作为阳极覆盖的保温料，没有对铝灰中的铝进行有效回收，简单粗放的处理方式虽然避免了废渣的环境危害，但含铝量较多的铝灰极易在高温条件下发生铝的氧化燃烧，铝烧损的同时导致阳极钢爪发红甚至脱极，不利于电解槽温度平衡控制、影响电效。
铝灰转运过程中物料易洒落，大块的铝灰无法使用电解车间多工程天车加料系统，而人工添加导致职工劳动轻度增大。目前铝灰的回收方式和设备种类繁多，回收能力和实际回收率差异较大，不适用于电解铝企业的清包料铝灰和铸造铝灰的处理。铝灰处理能力小的设备不能满足生产需求，铝灰处理能力大的生产设备，需要厂房及配套的附属设施。配套建设与电解铝适应的铝灰处理系统成本高昂，市场竞争优势丧失。尤其前期投产的电解铝企业不具备足够的空间进行配套建设。在目前环保理念深入人心的今天，作为电解铝生产企业，研发适合自身工艺循环的铝再生设备和改善铝灰作为电解保温覆盖料工艺，是解决铝灰处理问题的关键。
因此，开发和利用铝灰处理设备，将电解铝、铸造生产过程产出的铝灰无害化处理，不断净化电解阳极覆盖料已经成为行业技术指标竞争的着力点。把铝灰中残留的铝吃干榨尽已经成为铝业公司降本增效，优化生产工艺的当务之急和必由之路。
二、铝灰性质特点及组分检测分析
2.1 铝灰性质特点分析
铝灰是电解铝生产及铝加工过程中产生的一种浮渣，主要来源于电解槽内氧化铝粉冶炼、熔炼炉铝液铸锭过程中产生的不熔夹渣物。主要是氟化盐、锂盐、清渣剂等添加剂进行物理化学反应产生的物质，对于电解铝产业，铝的废渣有以下几种：一是高钠废电解质块（主要成分是氧化铝和冰晶石、氟化钠等）、二是铸造铝灰（主要成分是氧化铝和铝珠）、三是废阳极（主要是含氟、钠炭块）、四是大修废料（即废槽衬、炉帮、阴极、保温料等)。大量含铝低的废渣被填埋处理。
（1）在氧化铝经熔盐电解生产铝的过程中，由于操作和测定器具的携带、阳极更换、出铝、铸锭会产生一定量的铝灰。每生产1吨原铝产生30~50kg铝灰。
（2）铝在深加工熔铸、轧制等过程中，由于配制合金、多次重熔、铸锭锯切、零部件浇铸或锻造、挤压、轧制、切削加工等，也会产生铝灰或废杂铝。1吨铝在加工应用的全过程大约产生30~40kg铝灰。重熔铝锭采用连续浇筑的方式铝灰产量灰降低明显，每吨大约生产10~15kg铝灰。
（3）新材料公司废铝板、铝箔、铝棒等再生过程中的铝灰。废铝再生并重新加工成制品的回收率一般为75%~90%，再生1吨废铝产生150~250kg铝灰。
2.2 不同形态铝灰组分检测分析
我公司的铸造铝灰和清包料铝灰循环利用工作正在有序开展并取得阶段性成果，将铸造铝灰和电解铝清包料铝灰，分别取样送实验室进行粒度、X射线衍射分析（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）和扫描电子显微镜（SEM）表征分析。
2.2.1 炉内扒渣料检测结果分析
（1）炉内扒渣料（铸造铝灰）的粒度检测结果如图1所示。
图1 炉内扒渣料粒度分布图
由图1可知，炉内扒渣料的粒度主要集中在2.75μm~3.12μm范围内，1.52μm以下的颗粒累计分布为10%，6.43μm以下的颗粒累计分布为50%，49.4μm以下的颗粒累计分布为90%。表面积平均粒径为3.71μm，体积平均粒径为17.0μm。其余详细信息见检测报告。
（2）炉内扒渣料的X射线衍射物相分析如图2所示。
图2 炉内扒渣料的XRD图谱
（3）炉内扒渣料的X射线荧光光谱分析如表1所示。炉内扒渣料主要含有Al、Na、Ca、Fe以及Si。
表1 炉内扒渣料的XRF分析结果
（4）炉内扒渣料的SEM表征如图3所示。
图3 炉内扒渣料的显微组织照片及其面元素分布图
（a）显微组织照片；（b）Cl元素分布（c）O元素分布；（d）Na元素分布
（e）Al元素分布；（f）Ca元素分布;（g）Si元素分布；（h）Fe元素分布
SEM表征结果也与XRF分析元素一致。
（5）炉内扒渣料化学分析结果如表2所示。
表2 炉内扒渣料的化学分析结果（%）
以上为质量百分数，Al2O3的质量百分数是样品中所有Al元素的质量百分数，经过换算得各元素质量百分数如表3。
表3 炉内扒渣料的化学分析结果（换算后的质量百分数，wt.%）
分析结果如下，炉内扒渣料中主要成分是Al2O3，占比79.3%，氯化物主要有NaCl、CaCl2等，还含有一些钠铝氧化物、铁氧化物、SiO2等。
2.2.2 清包料检测结果分析
（1）清包料粒度检测结果如图4所示。
图4 破碎后抬包清包料的粒度分布图
由图4可知，破碎后抬包清包料的粒度主要集中在21.2μm~24.1μm范围内，1.93μm以下的颗粒累计分布为10%，14.5μm以下的颗粒累计分布为50%，55.2μm以下的颗粒累计分布为90%。表面积平均粒径为5.13μm，体积平均粒径为22.3μm。其余详细信息见检测报告。
（2）清包料的XRD表征如图5所示
图5 破碎后抬包清包料的XRD图谱
（3）清包料的X射线荧光光谱分析见表4所示。
表4 破碎后抬包清包料的XRF分析结果
（4）清包料的SEM表征如图6所示。
图6 破碎后抬包清包料显微照片及其面元素分布图
（a）显微组织照片；（b）O元素分布；（c）F元素分布；
（d）Na元素分布；（e）Al元素分布；（f）Ca元素分布；
（5）清包料的化学分析结果如表5所示。
表5 破碎后抬包清包料的化学分析结果（%）
以上为质量百分数，Al2O3的质量百分数是样品中所有Al元素的质量百分数，经过换算得各元素质量百分数如表6所示。
表6 破碎后抬包清包料的化学分析结果（换算后的质量百分数，wt.%）
分析结果如下，破碎后抬包清包料中主要成分是Al2O3，占比43.81%，其次氟化物含量较多，通过XRD检测发现主要是Na3(AlF6)即冰晶石，氯化物主要有NaCl、CaCl2等，还含有一些钠铝氧化物、铁氧化物、SiO2等。
三、铝灰回收方案及结果分析
3.1 铝灰回收方案
根据铝灰成分和电解槽覆盖料使用要求，以及铝灰中含铝直接回槽对电解生产工艺带来的不利影响，为减少固废产出，制定了先将铝灰中的铝充分回收，再将铝灰和电解质混合，经多功能天车加料系统直接打料至电解槽内，做保温料进行铝灰循环使用。经过论证能够最大限度的回收铝，相对洁净的铝灰对电解生产没有明显不利的影响。铝灰回收流程如图7所示。
图7 铝灰回收流程示意图
铝灰回收系统由鄂式破碎机、电磁振动给料机、自制设备平台、下料器、自制滚筒筛和破碎、粉碎分离设备组成。
利用鄂式破碎机、电磁振动给料机，自制设备平台、下料器、自制滚筒筛和皮带机。利用平台高度差，使大块的清包料由料斗经过电磁振动给料机进入鄂式破碎机将含铝大料块进行挤压破碎，落入滚筒筛内（筛孔内径50mm），直径较小的料块经振动给料机作用，落入筛网下的皮带机上被送入铝灰料池。片状铝及铝块随滚筒筛的滚动落入下方储存渣箱内，实现铝、灰的第一次分离。
利用铝灰粉碎机带振动筛分离装置，将一次破碎的铝灰进行二次粉碎筛选。铝灰渣箱直接用叉车放置于铝灰粉碎机上部，启动设备后将渣箱底部的阀门手动打开，铝灰自动落入铝灰粉碎机进行机械粉碎，铝灰从平台上方，通过螺旋下料器进入搅拌粉碎装置内，通过高转速的研磨，打碎，可将铝灰研磨成较为细微的颗粒后直接落入箱体内的振动平筛上，落料口处的平筛下方提前放置铝灰回收箱和铝豆回收箱，经过振动分离，分别落入铝灰、铝豆回收渣箱内。
利用平台高度差，使大块的清包料由料斗经过电磁振动给料机进入鄂式破碎机将含铝大料块进行挤压破碎，落入滚筒筛内（筛孔内径50mm），直径较小的料块经振动给料机作用，落入筛网下的皮带机上被送入铝灰料池。片状铝及铝块随滚筒筛的滚动落入下方储存渣箱内，实现铝、灰的第一次分离。
图8 铝灰粉碎分离机示意图
利用铝灰粉碎分离装置，将铸造铝灰或破碎后的清包料铝灰进行粉碎筛选。铝灰经皮带输送机进入进料口，再经过给料机螺旋输送进入铝灰粉碎机内，铝灰落入铝灰粉碎机进行机械粉碎后，铝灰渣从粉碎机出料口垂直，通过螺旋下料器进入搅拌粉碎装置内，通过高转速的研磨，打碎，可将铝灰研磨成较为细微的颗粒后直接落入滚筒筛的内壁上，落料口处的平筛下方提前放置铝灰回收箱和铝豆回收箱，经过振动分离分别落入铝灰、铝豆回收渣箱内。
3.2 铝灰中铝回收率分析
铝灰中铝的回收率试验测算
试验1：
再生铝车间3#熔炼炉倒铝21包加清渣剂烧渣扒渣后获得铸造铝灰1517kg，利用铝灰粉碎分离机获得铝豆256kg，256÷1517×100﹪=16.87﹪。
试验2：
装清包料铝灰1842kg，回收利用铝灰破碎机进行破碎分离，滚筒筛选出铝片、铝块194kg，194÷1842×100﹪=10.53﹪。
试验3：
用渣箱在清包料铝灰料仓取碎铝灰2894kg，利用铝灰粉碎分离机获得铝豆799kg，799÷2894×100﹪=27.60﹪。
总结：
1、铸造铝灰经烧渣扒渣后铝灰分离效果较好，铸造铝灰中铝的回收率仍然高达16.87％。
2、清包料铝灰需要经破碎分离、和粉碎分离两道工序完成，清包料铝灰中铝的综合回收率为10.53﹪+ 27.60﹪=38.13﹪。
3.3 铝回收的效益分析
3.3.1 铸造铝灰实际经济效益核算
核算时间段产生的经济效益及分析：
技改前：前期再生铝车间生产工艺中，熔炼炉内扒出的铝灰冷却后直接转运至原料车间做为电解槽覆盖料使用。
技改后：制作了铝灰分离机，实行二次回收，实现了对铝灰中的铝豆、铝渣分离处理，有效降低了铸损。
技改所用材料：铝灰分离机的制作均为废旧利用，包括15KW电机一台，单价1490元，4KW电机减速机一套，单价1350元，2.2KW下料螺旋电机(带减速机)一套，单价980元，φ85mm×1.5m转动轴一根，φ400mm×1.5m圆筒一根，废钢筋和钢板若干，均使用修旧利废钢材共280KG×2元=560元。
铝灰分离机技改投入1490元×1台+1350元×1套+980元×1套+280kg×2元=4380元。
铝灰分离机使用5年折旧费用：4380元/5a=876元。
铝灰分离机运行4个月回收铝豆22.8吨，车间回炉暂按70%的纯铝回收率计算，共计回收纯铝22.8吨×70％=15.96吨。
铝灰分离机技改自2018年12月25日投运至2019年4月25日共回收15.96吨纯铝，铝价按12006元/吨。
实际经济效益：22.8吨×70％×12006元/吨-876元/12×4-100元×4=190923.76元
年预期回收纯铝为：22.8吨×70％/4×12=47.88吨
年预期经济效益：47.88吨×12006元/吨-876元-100元×12=572771.28元
注:以上经济效益已经通过公司企管部核算。
3.3.2 清包料铝灰回收经济效益分析
清包料铝灰回收经济效益预计：公司每天清理抬包5~7个，每天产生清包料15吨左右，清包料铝灰综合回收率38.13%。
计算得：15吨×365×回收率38.13%=2087.617吨/年.
预期经济效益：按照纯铝回收90%，13000元/吨铝，算得经济效益：（184.726+2087.617）×纯铝回收率90%×13000=2658.641万元。
3.4 铝灰中铝回收后各项数据监测分析
（1）粒度检测结果如图9所示。
图9 回收后的铝渣的粒度分布
由上图看出，回收后的铝渣的粒度主要集中在24.1μm~27.4μm范围内，2.75μm以下的颗粒累计分布为10%，20.9μm以下的颗粒累计分布为50%，80.5μm以下的颗粒累计分布为90%。表面积平均粒径为6.82μm，体积平均粒径为32.6μm。
（2）XRD表征如图10所示。
图10 回收后的铝渣的XRD图谱
（3）X射线荧光光谱见表7所示。
表7 回收后的铝渣的XRF分析结果
（4）SEM图如图11所示。
图11 回收后铝渣的显微组织照片及其面元素分布图
（a）显微组织照片；（b）O元素分布；（c）F元素分布；
（d）Al元素分布；（e）Na元素分；（f）Ca元素分布
（5）化学分析结果见表8所示。
表8 回收后的铝渣的化学分析结果（%）
以上为质量百分数，Al2O3的质量百分数是样品中所有Al元素的质量百分数，经过换算得各元素质量百分数见表9所示。
表9 回收后的铝渣的化学分析结果（换算后的质量百分数，wt.%）
分析结果如下，回收后的铝渣中主要成分是Al2O3，占比33.42%，其次氟化物含量较多，通过XRD检测发现主要应该是Na3(AlF6)，氯化物主要有NaCl、CaCl2等，还含有铁氧化物、SiO2等。
3.5 分离机剩料分析
（1）粒度检测分析结果如图12所示。
图12 分离机剩料的粒度分布
由上图看出，分离机剩料的粒度主要集中在58.9μm～66.9μm范围内，1.88μm以下的颗粒累计分布为10%，19.1μm以下的颗粒累计分布为50%，90.7μm以下的颗粒累计分布为90%。表面积平均粒径为5.34μm，体积平均粒径为33.9μm。其余详细信息见检测报告。
（2）XRD表征分析如图13所示。
图13 分离机剩料的XRD图谱
（3）X射线荧光光谱分析见表10所示。
表10 分离机剩料的XRF分析结果
分离机剩料中主要含有Al、F、Na、Ca、Fe以及Si。
（4）SEM表征结果如图14所示。由图可知，SEM表征结果也与XRF分析元素基本一致。
图14 分离机剩料的显微组织照片及其面元素分布图
（a）显微组织照片；（b）O元素分布；（c）Na元素分布；
（d）Al元素分布；（e）F元素分布（f）Cl元素分布；（g）Ca元素分布
（5）化学分析结果见表11所示。
表11 分离机剩料的化学分析结果（%）
以上为质量百分数，Al2O3的质量百分数是样品中所有Al元素的质量百分数，经过换算得各元素质量百分数如表12所示：
表12 分离机剩料的化学分析结果（换算后的质量百分数，wt.%）
分析结果如下，分离机剩料中主要成分是Al2O3，占比46.18%，其次氟化物含量较多，主要应该是NaF，氯化物主要有NaCl、CaCl2等，还含有一些钠铝氧化物、铁氧化物、SiO2等。
四、铝灰在电解槽循环利用研究
4.1 铝灰作覆盖料实验方案
铝灰经铝回收处理后，根据铝灰的成分，公司原料二厂一车间进行了为期33天的实验，共设置了1台实验槽2101#和1台对比槽2102#，将再生铝车间筛分好的铝灰，换极后添加到新阳极上，当作阳极覆盖料，实验过程中对铝液中硅含量、铁含量、两水平、阳极电流分布、工作电压、温度、分子比、炉底压降等进行监测分析。
4.2 添加铝灰对生产的影响
4.2.1 炉底压降值分析
实验前对试验槽和非试验槽要进行一次炉底压降测量，作为基础数据。试验开始后定期对试验槽炉底压降进行测量，观察炉底压降变化。2101#槽为实验槽，2102#槽为正常槽。实验前的炉底压降值见表13所示。
表13 实验前炉底压降值（单位）
试验开始后每10天进行炉底压降测量见表14所示。试验电解槽在添加铝灰后10次测量的炉底压降变化没有明显规律，与基础数据对比，有升高也有降低，还有的电解槽出铝端压降降低、烟道端压降升高，但将10次测量的数据求平均值再与基础数据对比，则炉底压降都是升高的。排除测量误差，单从数据上看，所有试验槽的平均炉底压降的变化是呈升高趋势。
由表14可见，试验期间，所有试验槽炉底压降平均值较基础数据（试验前）均有所上涨，到试验结束，增幅在10mV左右。而其它非试验槽在此期间炉底压降几乎没有变化，因此可推断，细铝灰添加试验期间，有不溶解的杂质沉积到电解槽炉底，使炉底压降升高。
表14 试验后炉底压降值（单位）
4.2.2 电流分布变化
试验期间，车间每班对实验槽电流分布进行测量记录，并重点跟踪新极电流分布变化，防止铝灰中铝液出现铝液燃烧，高温出现钢爪发红，化爪或脱极异常。
表15 电流分布变化
4.2.3 槽温变化
工区每天两次对槽温进行测量，并进行对比，对比结果见表16所示。
表16 槽温变化
4.2.4 两水平变化
工区每天两次对两水平进行测量，并进行对比，对比结果见表17所示。
表17 两水平变化
4.2.5 铁硅数据变化
表18 2101#槽铁硅数据变化
细铝灰在刚添加在阳极上时，由于阳极间逢封堵不严，致使细铝灰直接漏到液体层，由于其物理化学性质的特殊性，在电解质中溶解量有限，故沉入炉底；二是随着电解过程的进行，细铝灰在阳极上形成保温结壳，当阳极消耗到一定高度后，电解质会将阳极上的细铝灰结壳慢慢冲刷进入到槽内液体中。
4.3 原铝质量变化
试验期间，对原铝中铁、硅含量分别进行统计，各实验槽在使用细铝灰后原铝硅含量无明显变化，铁含量有上升趋势，排查原因为阴极破损。但影响原铝质量的因素较多，本文用非试验槽作对比，发现没有使用细铝灰的电解槽试验同期原铝铁、硅含量没变化。原铝铁含量由于影响因素较多，且所有实验槽都是老龄槽，故不能确认是由于使用铝灰导致原铝铁含量升高。
试验期间根据原铝铁、硅含量变化情况，说明细铝灰使用对原铝铁含量影响不明显，对原铝硅含量影响较大，但并未影响到原铝品位。
4.4 细铝灰的保温效果监测
试验期间，对所有添加细铝灰的试验槽阳极钢爪温度进行测量，并选取相同数量的未添加槽作对比。测量钢爪温度均为新极更换48小时后，即所有阳极均达到全电流生产状态。由于目前所有电解槽保温料高度均为与阳极钢梁下沿平齐，故测量位置统一选择在最外侧钢爪钢梁往下2cm处。使用同一把红外线测温仪以减少测量误差。从表5的的测量结果比较可见，试验槽与正常槽阳极钢爪温度差异很小，且没有明显规律，故可推断细铝灰的保温效果与破碎料基本相同，能够作为保温料循环使用，若铝灰与保温料混合使用效果更佳。
细铝灰回收有以下三个去向，一是部分可溶性成分进入到电解质中；二是一些不溶性成分沉入到炉底，但随着回收完成后的持续生产，这些沉淀会反复溶解消耗；三是阳极上的细铝灰会进入到破碎料循环系统，反复使用。由此完成对细铝灰的全部回收。当然，铝灰添加过程中，应注意添加方式，不可大批量集中长期使用，以免对生产造成过大的波动；另外，还要关注破碎料中杂质的富集情况，必要时应及时补充部分新鲜氧化铝。
五、结 论
本文通过设计制作一种清包料筛分装置，实现了对电解铝生产线清包料铝灰内金属铝的深度回收，并将经筛分系统处理的剩余细铝灰再用于电解槽铝液覆盖，实现二次铝灰的循环再利用。
（1）采用本文设计的回收方案和振动筛分装置，能够最大限度地回收电解槽清包料铝灰中的金属铝，产生了较大的经济效益；
（2）将铝回收后剩余洁净的细铝灰用于电解槽液覆盖，对电解生产没有明显不利的影响。
