再生鋁在3104合金罐身料生產中的應用

王 劍，徐正權

(西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326)

0 前言

3104合金屬Al-Mn-Mg系不可熱處理強化鋁合金，具有密度小、強度高、耐腐蝕性強、易深沖成形等優點，是制作易拉罐罐體的理想鋁合金材料[1]。

據調研，目前我國廢鋁易拉罐消費量達到230億只，與通過電解鋁礦石生產3004/3104 鋁合金相比，將再生鋁用于生產易拉罐只需消耗3%的能源，排放5%的CO2，造成3%的水體污染。而且鋁制易拉罐材料一般由3104 合金（罐身）、5052H19(罐蓋)、5182H19等[2]等級較高的合金組成，具有較高的再利用價值。

由于再生鋁具有上述優點，世界各國都在積極發展廢鋁再生產業，歐美日等發達國家的再生鋁已經逐漸成為本國鋁工業的主體[3]，且再生鋁產品高檔化趨勢明顯。預計到2030 年，將會有15%～20%的再生鋁應用于高端科技領域[4]。而我國由于沒有系統化和規范化的回收渠道和體系，廢料混雜，再生難度大，企業經營分散，工藝落后，生產效率低下，燒損高，廢料大部分都降級使用，成為附加值較低的鑄鋁合金。2015 年全世界生產的鋁罐帶材的平均再生鋁含量為50.6%，而我國目前在3104合金罐身料上幾乎不使用再生鋁原料。2015年3月末諾貝麗斯鋁業公司稱：諾貝麗斯鋁業公司新近研制的埃弗再生鋁合金（EvercycleTM）是一種再生鋁含量很高的鋁合金，它由90%舊廢料（從社會上回收的廢舊鋁罐）與10%新廢料（罐料軋制廠與制罐廠的工藝廢料）熔煉而成，沒有用重熔用鋁錠與原鋁[5]。

據統計，2019 年中國3104 合金罐身料產量已超60 萬噸，如何實現廢舊鋁易拉罐的保級再利用、優化完善廢鋁再生技術、開發相應的熔鑄及軋制加工技術已成為熱門課題。

1 工藝技術研究

1.1 合金鋁水的技術要求

1.1.1 化學成分

由于鋁制易拉罐一般由3104、5052 或5182 等合金組成，廢舊易拉罐熔化成合金鋁水后，為保證其最終化學成分符合3104 合金標準要求，需對合金鋁水的化學成分作出要求，如表1所示。

表1 合金鋁水化學成分(質量分數/%)

通常，合金鋁水中Si、Fe、Zn元素成分含量偏高，這主要是由于廢舊易拉罐中含有Si、Fe等雜質造成的。為便于成分控制，最好搭配使用一定量的純鋁錠。

1.1.2 溫度

熔煉溫度越高，合金化程度越完全，但同時熔體氧化吸氣的傾向也越大，鑄錠形成粗晶組織和裂紋的傾向性也越大，所以合金鋁水的溫度控制在700～760℃為宜[6]。

1.1.3 清潔度

清潔度是合金鋁水質量要求的一項重要指標。再生鋁在進行前處理時必須將塑料、鐵件、泥土等雜質處理干凈，整個熔化過程中必須采用精煉劑等手段進行除渣，并將熔體表面渣子扒干凈。

1.1.4 針孔度

合金鋁水試樣的針孔度是判定其氫氣含量高低的關鍵指標。再生鋁在前處理過程中烘干的越徹底，精煉除氣越徹底，熔體中的氫含量便會越低。通常要求同時進行爐內精煉和湯包精煉，合金鋁水的針孔度要求≤0.3%（氫含量相當于0.2 mL/100 g·Al）。

1.2 合金鋁水的使用工藝

1.2.1 用量

車間生產線為2+2+1配置（2臺75 t熔煉爐，2臺75 t保溫爐，1臺鑄造機），每爐料鑄造及準備時間需要4 h 左右，1 條生產線1 天可生產6 爐料左右，所以熔煉爐加料及熔化時間控制在7 h 左右比較合理。熔化過快或過慢均會造成上、下工序銜接不流暢。對于該配置的生產線來說，3104 合金鋁水用量控制在30%～50%熔化效率比較合適。

1.2.2 加入時機

3104 合金鋁水在爐料為半固態時加入時，燒損及天然氣單耗最低。與不使用合金鋁水相比，可以降低金屬燒損約0.5%，縮短熔化時間1/3，減少天然氣消耗約15%。合金鋁水在不同時機下加入時的燒損和天然氣單耗情況如表2所示。

表2 合金鋁水在不同時機下加入時的燒損和天然氣單耗

1.2.3 加入溫度

合金鋁水加入溫度過高，容易造成晶粒及化合物粗大，熔體更容易吸氣和造渣，從而造成材料在用戶處使用時斷罐率和針孔率高。經多輪試驗驗證，3104 合金鋁水加入溫度控制在700～760 ℃為宜。

2 鑄錠質量狀況

2.1 氫含量

鑄造過程中，使用ABB公司的AlSCAN測氫儀分別測量了3 組未使用合金鋁水和使用合金鋁水熔次在線除氣裝置前后熔體的液態氫含量，結果見圖1 和圖2。合金鋁水在裝入湯包后進行了湯包除氣，從除氣前后的測氫結果看，使用與未使用合金鋁水熔次除氣前后的氫含量差異不大。

圖1 未使用合金鋁水氫含量

圖2 使用合金鋁水氫含量

2.2 渣含量

利用ABB Prefil 測渣儀對使用合金鋁水和不使用合金鋁水熔次在除氣前及深床過濾前、后分別取了3組試樣，檢測熔體中的渣含量，結果見圖3 和圖4。熔體經深床過濾后渣含量在0.01 mm2/kg 左右，完全滿足渣含量標準要求。

圖3 未使用合金鋁水渣含量

圖4 未使用合金鋁水渣含量

2.3 晶粒尺寸

在相同鑄造條件下鑄成鑄錠，切除頭尾后，底部切取試片檢測鑄態下的晶粒尺寸。從偏光結果來看，不論是否使用合金鋁水，鑄錠在心部的晶粒尺寸大于1/4 寬度處的晶粒尺寸，但晶粒大小均達到了一級晶粒度標準（見圖5、圖6），而且使用合金鋁水與不使用合金鋁水鑄錠的晶粒尺寸差異不大。

圖5 未使用合金鋁水鑄錠的晶粒尺寸

圖6 使用合金鋁水鑄錠的晶粒尺寸

2.4 化合物

圖7為使用合金鋁水的鑄錠樣品電鏡圖片。從電鏡能譜分析結果可以看出：晶界上的化合物主要為骨骼狀或長條狀的灰色Al-Fe-Mn相（見圖7（a））、黑色Al-Mg-Si相（見圖7（b））及少量塊狀或點狀的Al-Fe-Mn-Si相（見圖7（c））。在尺寸和化合物類型上與未使用合金鋁水的鑄錠差異不大。

圖7 使用合金鋁水的鑄錠樣品電鏡圖片

經過多輪試制生產，鑄錠通過熱軋、冷軋、涂膜等工藝生產成成品卷材后，發往制罐廠家進行沖制，卷材平均斷罐量在50×10-6個以內，針孔在5×10-6個以內，完全滿足客戶的使用要求。

3 結論

（1）廢舊鋁罐的合金鋁水適用于3104罐料生產，產品質量完全滿足用戶要求。

（2）使用3104合金鋁水后的生產效率大幅提高，天然氣單耗及燒損降低。

（3）合金鋁水加入溫度控制在700～760 ℃，加入量控制在投料量的30%～50%，在爐料為半熔融態時加入最佳。