易拉罐用3104铝合金再生关键技术研究

发布时间：2016-10-08 07:14

1  绪论 

近几十年来，我国经济持续快速发展，所需的资源特别是不可再生资源量也在飞速增长，导致我国对进口资源的依赖越来越严重。据统计，目前我国主要原材料铜铝铅锌四大有色金属，已分别有60%、50%、40%和15%依靠进口，有色资源储量不足已经成为一个制约我国经济发展的重要因素[1]。然而，随着寿命周期的结束，越来越多的废旧有色金属资源面临再利用。截至目前，我国消费领域已积蓄超过2亿吨废旧金属，为金属再生产业提供了原料，，且与生产原生金属相比，再生金属不需要经过采矿、选矿等工序，一般情况下，再生铜、铝、铅的综合能耗分别只是原生的18%、3%和27%，因此废旧有色金属的再生，可以节约大量金属资源，减少能源消耗，减轻环境负担，降低生产成本，有利于我国有色金属产业的可持续发展。 广泛应用于食品行业的铝制易拉罐因回收再利用率高，已成为一种重要的可再生资源。目前，全世界每年消费的易拉罐超过2100亿只，消耗铝近300万吨，约占全球铝总消耗量的15%。据调研，目前我国废铝易拉罐消费量达到230亿只。与通过电解铝矿石生产3004/3104铝合金相比，使用再生易拉罐用铝材只需消耗3%的能源，排放5%的CO2，造成3%的水污染，而且铝制易拉罐材料一般由3104合金（罐身）、5052H19（罐盖）和5182H19等[2]等级较高的合金组成，具有更高的再利用价值。 

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2  试验条件及方法 

2.1  试验材料 

本试验选用回收的废旧铝制易拉罐作为研究对象。但目前国内市场上不同厂家的易拉罐材料在组织结构、强度、重量等方面存在一定的差异，本试验首先在晋西工业集团理化计量中心测定除漆后不同品牌易拉罐材料的元素组成和化学成分[68]，部分结果如表2.1 所示：从表 2.1 可以看出，不同品牌用罐中各元素含量差别不大，考虑到目前市场上牌占有率的问题，本试验最终选择健力宝、统一、王老吉、雪碧、可口可乐品牌的铝制易拉罐罐身作为研究对象。 

2.2  试验方法及技术路线 

经过分拣、切割、清洗、干燥等预处理后的易拉罐材料，要清除其内外表面的涂层，本文采用两种脱漆方法分别进行试验并对比。 (1)  热脱漆。将 1.5kg 试验材料放入 30kg 坩埚炉除漆，温度范围：500～550℃，脱漆时间：30min，期间不断搅动试验材料，保证其均匀受热，并使碳化的涂层与铝材分离。 (2)  超声脱漆。本试验利用超声装置，分别选择不同目数的氧化铝粉末作为磨料置于盛水的容器中与易拉罐碎片摩擦脱漆，氧化铝粉末目数分别为 80、240、500、1200目，但试验过程中发现 1200 目的磨粒脱漆效果很差，所以后面的分析中只涉及前三个参数；超声频率范围为 18-22KHz，超声功率选择 3 个水平分别选择 2100W、2250W、2500W。 试验过程： ①试验材料：废铝易拉罐身碎片、Al2O3磨粒、水、超声发生器。 ②试验步骤：试验前称量、记录试样的质量；将 Al2O3磨粒和分散剂六偏磷酸钠( NaPO3 )6置于盛有水的容器内，搅拌均匀，分散时间为 5 分钟。待磨料充分均匀分散后，将待脱漆金属剪成 10mm*10mm 左右的小块放入容器内，启动超声发生器，进行超声脱漆。通过改变超声频率、超声功率及磨粒目数，分别试验，最后将试样取出、清洗、干燥、称量、记录。 

3 废铝易拉罐超声脱漆技术研究 .......... 29

3.1  前言 ............. 29 
3.2  废杂铝材的预处理 ................ 29
3.3  废旧易拉罐铝材的热除漆 ................ 30 
3.4  废铝易拉罐铝材的超声脱漆 ....... 31
4 废铝易拉罐重熔净化工艺研究 ...................... 39
4.1  前言 ............. 39 
4.2  废铝易拉罐材料熔体除杂技术研究 ................. 39
4.3  废铝易拉罐材料熔体除气技术研究 ......... 42
5 废铝易拉罐材料细化变质处理工艺研究 ............ 54
5.1  前言 ........ 54 
5.2 Al-5Ti-1B-Er 细化处理对废铝易拉罐铝材力学性能的影响 ................ 54

6  复合热处理工艺对废铝易拉罐组织和性能的影响  

6.1  引言 

3104 铝合金具有高强度、耐腐蚀和良好的变薄拉伸性能[86,  87]，所以广泛用于食品包装。食品包装用罐越来越薄，因此需要铝合金材料具有良好的综合性能。许多研究人员通过控制热轧、冷轧等成型工艺，发展建立均匀化、中间退火等热处理方法，以期精确控制铝合金的成分和组织结构。在铸造过程中，很容易出现严重的枝晶偏析和非平衡凝固共晶结构，其中 Al6Mn、Al6(Fe，Mn)、Al12(Fe，Mn)3Si 等的存在会使合金的组织结构和化学成分不均匀，在 3104 铝合金的形变和结晶过程中产生有害影响，所以要通过均匀化处理来改善偏析，提高铝合金锭的冶金质量。 深冷处理作为一种改善材料性能的工艺方法[88,  89]，可以使材料在可控的低温环境下，显微组织结构发生变化。目前已经广泛应用于铜合金、镁合金、钢铁材料及复合材料的改性中，可以较明显地提高材料的强度、刚度及耐磨度等。 目前采用深冷处理和均匀化处理相结合的复合热处理工艺优化 3104 合金组织性能的报道很少见，所以本章主要研究先深冷处理后均匀化处理对再生 3104 铝合金性能和组织的影响。   

6.2  复合热处理工艺 

 本试验所用的材料为已在实验室经前期处理（脱漆、精炼、细化变质）后浇注所得的再生 3104 铝合金锭，将试验材料重熔并用 C2Cl6二次精炼，然后进行以下四种热处理。具体处理工艺见表 6.1。 3104 铝合金初始铸态组织（见图 6.1）主要由树枝状初生 α-Al 体和晶间非平衡凝固态结晶组成，包括 Al6(Mn，Fe)和 α-Al12(Mn，Fe)Si 等第二相，还有少量 Mg2Si[90]。由图 6.1 可以看出，沿晶界分布的主要是 α-Al12(Mn，Fe)Si 颗粒，其形貌既有粗大的骨骼状，也有块状。在铝易拉罐铝材的变薄拉深过程中，这些粗大的第二相粒子对 3104铝合金成型性能的不利影响显得更加明显，它们是易拉罐成型过程中针孔、断罐及漏罐等缺陷产生的主要原因，还会在热轧时促进再结晶形核，影响合金再结晶，减少立方织构，降低力学性能。 
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7  结论

本论文系统地研究了易拉罐用 3104 铝合金再生过程中的关键技术，如超声脱漆、自制熔剂除杂、旋转喷吹除气水模拟、Al-5Ti-1B-Er 细化、调节 Mn/Fe 质量比变质及复合热处理等工艺，并对再生 3104 铝合金溶体处理机理进行深入分析，主要结论如下： (1)  利用超声波进行易拉罐表面脱漆处理。根据超声空化原理，揭示了不同空化泡初始半径、不同超声频率及声压幅值对空化泡动力特性的影响规律。当空化泡半径R0=160μm，声压幅值为 0.5MPa 时气泡膨胀率最大，溃灭时释放的能量最大，传递到Al2O3磨粒的能量也最大。根据超声脱漆试验验证了前述参数的正确性，得出了在上述的超声频率下，选用 80 目的 Al2O3磨粒脱漆效率最高。超声脱漆比传统热脱漆速度更快，无污染，废液排放成本更低。 (2)  自行设计的铝熔体净化工艺显著改善了废铝易拉罐熔体的冶金质量。采用正交实验法进行熔体净化除杂试验，通过回收率和含杂率的比较，确定了 3104 铝合金熔体净化除杂的最佳工艺参数为：熔炼温度 720℃、自制的熔剂配方 3、熔剂加入量 4%，并测得该工艺条件下试样的含杂率及力学性能：含杂率 0.1065%，抗拉强度 193MPa，伸长率 21.04%。 (3)  研究了旋转喷吹除气水模拟工艺参数对气泡状态的影响规律。不使用阻流板时，喷吹头转速越高，转杆及喷吹头周围形成的漩涡越明显，引起卷气；阻流板可以引起边界突变，阻碍漩涡的形成，当阻流板的宽度为 60mm，且阻流板与喷吹头深度接近时，溶液中气泡尺寸最小，分布最均匀。

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参考文献（略）

本文编号：133409