一种废铝回收加工铝合金锭的方法与流程

本发明涉及铝合金，具体为一种废铝回收加工铝合金锭的方法。

背景技术：

1、再生铝合金依托废铝回收制备，相较于原生铝生产可显著降低能耗与碳排放，已成为汽车、建材、通用铸件等领域的重要铝源。但废铝来源广泛、批次波动大，入炉料中除目标铝基体外，常夹带油污、漆层、塑料橡胶、铁质紧固件、镁锌铜等合金元素以及吸附水与表面羟基，熔体净化与组织调控难度远高于原生铝生产。行业通行做法多采用“破碎分选—火焰或电阻炉熔化—惰性气体旋转喷吹除气—单层泡沫陶瓷过滤—自然冷却铸锭”的工艺路线，在应对低比例配用废铝时尚可维持基本性能，但在高比例乃至全废铝再生场景下暴露出一系列瓶颈。

2、其一，预处理工序粗放。多数产线仅做破碎与磁选，对油污、漆层、吸附水及表面羟基去除不充分，熔炼时持续释放氢源与有机裂解产物，导致熔体氢含量普遍高于0.12ml/100gal，铸造后针孔、疏松缺陷率居高不下。部分企业虽引入碱洗与烘烤，但升温速率与恒温时间缺乏差异化控制，高污染料与洁净料等同处理，除杂效率与金属回收率难以兼顾。

3、其二，fe等杂质相调控手段单一。废铝中fe质量分数常达1%以上，易析出粗大针状α-al+fe+si或β-al5fesi相，严重割裂基体、诱发热裂。现有工艺多依赖添加mn中和fe，但mn/fe质量比控制粗糙，偏低则针状相未消解，偏高则生成粗大al6(mn,fe)相，同样损害韧性；同时单一al-ti-b细化剂在高杂质环境中易与fe、mn反应生成无效相，晶粒细化效果衰减，晶粒尺寸常大于80μm。

4、其三，变质元素烧损与分布不均。稀土la、ce及te等变质元素直接投入740℃以上熔体时氧化烧损严重，有效残留量难以稳定；te蒸气压高、易挥发，常规加入方式利用率低，共晶硅变质与圆整化效果波动大。

5、上述问题导致再生铝合金锭力学性能离散、针孔度与夹渣量常超出现行标准对高端铸锭的要求，难以稳定供应对强塑性、致密度与组织均匀性有协同要求的构件市场。针对该现状，本发明提供了一种废铝回收加工铝合金锭的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种废铝回收加工铝合金锭的方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种废铝回收加工铝合金锭的方法，包括依次进行的如下步骤：

4、（1）分级预处理：将废铝原料按照材质牌号及表面污染程度分级分类，破碎后控制最大粒径不大于40mm，依次经分选除杂、碱性清洗、热解脱羟处理，去除油污、表面夹杂、吸附水及羟基杂质，获得低杂质合格废铝原料；

5、（2）双室梯度熔炼：采用封闭式双室熔炼炉对合格废铝分段预热、高温熔化，制备成分均匀的粗铝熔体，通过静置上浮去除大颗粒夹杂；

6、（3）复合变质耦合间歇超声净化：向粗铝熔体中投加核壳结构复合变质剂，调控熔体mn/fe质量比为0.6~0.9，同步采用炉底氩气底吹配合间歇高能超声，实现熔体变质改性与净化除杂；

7、（4）时序联动喷吹除气：采用旋转喷头喷吹氩气-氯气混合气，通过超声作业与旋转喷吹的时序联动配合，分步完成氧化膜破碎、微细夹杂捕获与氢气脱除，实现熔体深度净化；

8、（5）梯度过滤与可控冷却：采用多级梯度预热泡沫陶瓷过滤介质对熔体分级过滤，浇注成型后采用分段相变控温冷却，获得均质低缺陷铝合金锭；

9、其中，所述核壳结构复合变质剂为三层复合结构，由内至外依次为合金芯部、纳米sio2过渡内层、稀土-te缓释变质外层；双层包覆壳体总质量占变质剂总质量的4%~7%；变质剂中la、ce总质量占比0.8%~1.6%，te质量占比0.1%~0.3%。

10、作为进一步的技术方案，步骤（1）所述分级预处理具体工艺为：

11、废铝破碎后依次经磁选去除铁质杂质、涡电流分选去除非金属夹杂；采用质量浓度3%~5%的氢氧化钠水溶液，35~45khz超声清洗15~25min，去离子水冲洗至中性；氮气保护氛围下以5~8℃/min升温至350~400℃，恒温热解脱羟25~40min；冷却后筛选得到铁元素质量含量≤1.8%的合格废铝料；高污染废铝对应延长超声清洗及热解脱羟时长，实现差异化除杂。

12、作为进一步的技术方案，步骤（2）双室梯度熔炼具体工艺参数为：

13、加料室600~650℃预热10~15min，熔化室720~750℃恒温熔炼20~28min使废铝完全熔化；熔体静置5~8min促进大颗粒夹杂上浮分离；熔炼全程维持氮气微正压保护，隔绝空气防止熔体二次氧化与吸氢。

14、作为进一步的技术方案，所述核壳结构复合变质剂由如下步骤制备：

15、s1制备合金芯部：将工业纯铝升温至740~760℃完全熔化，依次掺入al-10mn、al-20la、al-15ce、al-5ti-b、al-3te中间合金，恒温搅拌至成分均质，浇注筛分得到粒径3~5mm的球形合金芯颗粒；

16、s2双层包覆成型：在合金芯颗粒外表面依次构建两层包覆结构，内层为厚度0.05~0.1mm的纳米sio2致密过渡层，外层为厚度0.15~0.4mm的稀土-te缓释变质壳，复合壳体总厚度0.2~0.5mm，制得核壳结构复合变质剂。

17、作为进一步的技术方案，所述双层包覆壳体采用溶胶-凝胶耦合氩气保护机械合金化双步工艺制备，具体步骤为：

18、s11溶胶-凝胶制备过渡层：按正硅酸乙酯、乙醇、去离子水质量比1:4:2配制硅烷水解液，盐酸调节ph值至4.5；将合金芯颗粒完全浸入水解液，40khz超声浸渍20~30min，120℃恒温固化30min，形成致密阻隔型纳米sio2过渡层；

19、s12机械合金化包覆：将十水四硼酸钠、te粉、硬脂酸锌按质量比6~10:1~3:0.5混合得到包覆粉料，于80~90℃、≤-0.08mpa真空条件下干燥10~15min；干燥粉料与带过渡层芯颗粒按质量比7~12:100混合，在氩气保护、球料比8:1、转速220~260r/min条件下球磨40~60min，筛分后真空密封保存，制得成品变质剂。

20、作为进一步的技术方案，步骤（3）超声净化与氩气底吹具体工艺参数为：

21、核壳结构复合变质剂添加量为粗铝熔体总质量的1.2%~2.0%；底吹氩气纯度≥99.99%，流量8~12l/min，通过炉底均布多点气孔同步底吹，各气孔流量均匀一致；超声频率1.2~1.8khz，单次超声时长60~80s、间歇时长60~80s，总超声处理时长10~18min，超声处理阶段熔体恒温735~745℃。

22、作为进一步的技术方案，步骤（4）时序联动喷吹除气具体工艺参数为：

23、ar-cl2混合气中cl2体积分数为0.5%~1.5%；旋转喷头转速280~360r/min，总喷吹时长15~25min；作业时序为：先完成3轮完整超声间歇周期，暂停超声后持续喷吹5min，再完成2轮完整超声间歇周期，最后进入终段持续喷吹；终段喷吹时长占总喷吹时长的30%~40%，喷吹阶段熔体恒温710~720℃。

24、作为进一步的技术方案，步骤（5）梯度过滤具体工艺为：

25、采用孔隙规格20ppi、30ppi、50ppi的高纯氧化铝泡沫陶瓷过滤板逐级梯度过滤；过滤板提前预热至680~700℃并恒温20min，过滤全程滤板温度波动≤±5℃；熔体以1.2~1.8m/min恒定流速依次流经各级过滤板，分级截留不同粒径微细夹杂。

26、作为进一步的技术方案，步骤（5）分段式可控冷却具体工艺为：

27、熔体浇注成型后，先采用3~5m/s常温风冷冷却10~15min；待铸锭表面温度降至450~480℃合金相变临界区间时，切换水雾喷淋冷却；水雾压力0.2~0.4mpa、水雾粒径20~50μm，均匀覆盖铸锭表面，持续喷淋8~12min，细化晶粒并消除铸锭内应力。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、1、本发明技术方案由于采用由合金芯部、纳米sio2过渡内层、稀土-te缓释变质外层构成的三层核壳结构复合变质剂，且双层包覆壳体总质量占变质剂总质量4%~7%、la与ce总占比0.8%~1.6%、te占比0.1%~0.3%，纳米sio2致密过渡层在740℃以上熔体中形成物理阻隔，抑制稀土元素直接暴露于氧化性铝液而被烧损，外层缓释壳在熔体热作用下逐级崩解释放la、ce与te，使变质元素在形核窗口内持续供给，从而将共晶硅由针状转为纤维状、圆整度提升，并借te对β-al5fesi相的晶面修饰抑制针状富fe相生长；同时调控熔体mn/fe质量比处于0.6~0.9区间，使过剩fe以汉字状al6(mn,fe)相析出而非针状板片，消除了割裂基体的主导缺陷源。由于采用炉底多点均布氩气底吹配合1.2~1.8khz间歇高能超声，底吹形成稳态上浮流场将大尺寸夹杂与集群氢泡迁出，间歇超声在每次60~80s作用期内借助空化崩溃微射流击碎氧化膜团簇并催生异质形核质点，间歇60~80s则避免持续空化导致的声流过热与晶粒粗化，从而在不引入异质污染前提下实现熔体深度均质。由于ar-cl2混合气旋转喷吹与超声作业采用“3轮超声间歇、停超声喷吹5min、2轮超声间歇、终段持续喷吹”的时序联动，避开了超声声流与旋转气泡场的相位竞争，使氧化膜碎片在超声破碎后恰于喷吹气泡上浮窗口被捕获迁出，终段占30%~40%时长的持续喷吹完成残余氢的深度脱除，氢含量降至0.08ml/100gal量级。由于采用20ppi、30ppi、50ppi三级高纯氧化铝泡沫陶瓷梯度过滤且滤板恒温680~700℃、波动≤±5℃、熔速恒定1.2~1.8m/min，不同粒径夹杂被分级截留而非一次性堵塞，过滤压降平稳、捕获率显著提升。

30、2、本发明技术方案中双室熔炼以600~650℃预热与720~750℃熔化分段进行，配合氮气微正压保护抑制二次氧化吸氢，为变质与净化提供低氧势基底；核壳变质在熔体735~745℃恒温窗口释放活性元素，与底吹超声同步钉扎夹杂与细化形核；时序联动除气在710~720℃收尾，将氢与微细夹杂同步迁出；梯度过滤截留前序未被上浮清除的亚微米残杂；分段控冷锁定细晶组织。

31、3、综上，本发明通过核壳缓释变质解决稀土与te烧损及针状fe相失控问题，通过mn/fe比精准调控重构富fe相形貌，通过底吹-间歇超声-时序喷吹三联净化解决单一除气除杂不彻底问题，通过梯度过滤与分段相变控冷解决夹杂残留与晶粒粗化问题，整体突破了高杂质废铝无法直接稳定制备高端均质铝合金锭的行业瓶颈，在零原生铝稀释或低比例配用条件下即可获得致密度、强塑性及组织均匀性满足高端铸件要求的再生铝合金锭，提升了废铝资源化的产品层级与附加值，契合再生铝低碳化、高值化发展方向。