CN104884647B - 用于再循环包含表面杂质的粒状金属材料的再循环工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于再循环包含表面杂质的粒状金属材料的再循环工艺，该再循环工艺组合子工艺1和子工艺2，其中在子工艺1中通过在控制的氧化气氛中使起始材料加热至小于或等于300℃的温度来部分地去除污染材料；并且在子工艺2中在惰性气氛中使材料加热至400‑550℃，并且通过组合的热机械作用去除污染材料的剩余残渣。

Description

用于再循环包含表面杂质的粒状金属材料的再循环工艺

技术领域

本发明涉及金属制备和再循环工艺，该金属制备和再循环工艺在冶金工业中、并且更具体地在用于回收包含在废料中的金属(尤其是当金属具有小粒度时)的金属回收领域中具有应用。这些废料的特征在于，金属被诸如油、塑料、木材、油漆等的有机材料所污染，并且它们还可包含无机杂质。

本发明的目的是允许从具有高金属含量的废料中去除主要为有机产物和各种杂质的非金属成分的工艺。尽管工艺可应用于各种粒度标准和大小的金属材料，但该工艺特别地适用于通过当今已知的工艺不可回收的或以低收率和/或低品质可回收的小金属颗粒。工艺适合于大量金属，所述金属包括铝、铜、镁、锌等和它们的合金。

背景技术

用于处理被杂质尤其是有机杂质污染的金属的目前的热工艺具有以下问题：

-金属在再循环工艺中随着温度增加以及随着金属接触有机元素而被氧化。这防止了这些元素热烧结和制团(briquetting)，即形成团块。而且，在该工艺中产生气体，由于水分而存在爆炸的风险，并且冶金收率低。

-从脏的原材料再循环的材料的所得品质不允许其用于需要高金属纯度和低金属氧化的应用中(合金片、铝丸、阴极铜等)。

-包含在通常粘附到金属的油漆中的负载(load)不被充分去除。

-可能有必要提供熔融盐来实现更高的回收率。这些盐产生难以再循环并且具有高成本和环境影响的熔渣。

-非常难以再循环夹层式复合元件、面板等。

由于这些问题，存在使用已有工艺不能回收的金属材料流。在其中回收是可能的其他情况中，由于再循环工艺中金属经历的污染，冶金收率低和/或再循环的金属不能用于具有高纯度要求的应用中。

已被建议用于金属回收的方法之中的是基于烧掉或燃烧与金属一起存在的诸如塑料、橡胶、树脂或纸的有机部分的那些方法。所述方法需要氧化气氛，并通常在相对高的温度下进行。因此，金属的一部分被氧化，随之带来回收收率的损失。

金属材料在氧气的存在下暴露于相对高的温度的事实由于至少两个原因是可疑的，第一，因为金属在表面上被氧化；以及第二，因为最终回收的金属的性质通常受过热影响。因此，该金属不具有与在被处理以便去除污染元素之前的金属的性质一样好的性质。

美国专利7,976,611描述了用于回收金属的连续工艺，其中有机组分通过在高温下直接燃烧被去除。所指示的工艺温度是在400℃到1000℃之间、优选地从600℃到900℃，并指定最优选的温度在700-850℃的范围中。在这些温度下添加氧气允许通过氧化去除有机部分，但其具有几个缺点。第一，处理温度对于大量金属来说太高，这些金属包括Al、Mg、Pb，因为它们具有较低的熔化温度。第二，如已在上文已提及的，直接的有机物质燃烧工艺产生导致较低的回收收率的金属腐蚀。在所提到的专利的情况中，该现象是特别相关的，因为金属在氧化介质中在高温下被处理。第三，所建议的工艺导致必须被保留在用于处理呈氧化物形式的气体的处理线中的特定金属的挥发，产生新的废物并降低金属回收收率。

德国专利1,370,071使用倾斜的旋转炉，以便通过以下工艺回收具有粘附的有机材料的碎片，该工艺包括在存在氧气的气氛中将碎片运动通过具有上升的温度梯度的曲折路径。这表明处理温度必须是足够的以便处理温度使有机污染物挥发或氧化，但低于金属被实质上氧化的温度。然而，未指定对于每种被处理的金属是另外不同的必需的温度。只指明了用于青铜处理的特定温度，其至多必须比熔化温度低200°F。应用于许多金属时，该温度限度产生以上提及的问题：显著的金属氧化和朝气体出口的高金属挥发。当处理存在容易挥发的金属的金属混合物时，此最后现象主要出现。在杂质去除过程之后，本发明在输出温度下或在局部冷却之后应用碎片压实系统，可选地接着在熔炉中熔化压实的金属。碎片在高温、但比被处理的金属的熔化温度低500°F的温度下被压实。换言之，压实温度远远低于半固态温度，且因此不确保金属处于足够软的状态，以便允许最佳的金属压实。另一方面，此专利不适合对尺寸大且具有小浓度有机负载的金属起作用。

用于回收被污染的金属的其他方法包括在密封室内和在没有氧气的环境中对金属和所附杂质进行加热，以导致有机化合物的热解。该方法通常需要处理小批量的产物，这增加了与连续工艺有关的成本。此外，有机化合物的热解产生各种各样的副产物，这使其管理复杂化。一方面，存在需要重新收集和处理的热解冷凝物和气体、大量有机产物的混合物；并且另一方面，存在粘附到金属的大量的含碳的废物。

美国专利3,744,779提出了用于通过“分解蒸馏”有机组分回收废弃金属的连续工艺，该工艺在金属相对不受影响的温度下在没有氧气的情况下使用加热进行。该工艺实际上由两个高度分化的子工艺组成。第一，金属废物在没有氧气的情况下被加热，产生挥发性有机化合物的馏分。当温度足够高时，且仍然与金属在一起的重有机化合物被热解，产生热解液体和气体的复杂混合物。对从两个子工艺释放的气体的管理非常复杂：首先必须浓缩将随后与在热解步骤中产生的可浓缩产物混合的从废物直接挥发的挥发性化合物。最终，在熔炉的出口处将产生必须被连续去除的不可浓缩的热解气体。这是很适合于仅被挥发性有机产物污染的金属废物的工艺，甚至允许金属回收，然而，当谈到具有有机产物的复杂混合物的废物时，特别是当存在非挥发性的、高分子量产物时，该工艺具有热解工艺典型的复杂性。而且，该工艺有以下缺点：一旦获得最终的金属，最终的金属必须通过物理分离来处理，并且盐浴被用于清洁来自含碳废物的金属。由于难以回收的熔渣的产生，盐的使用具有大的环境影响。另一方面，必须熔化回收的金属，以便获得合适的清洁。

发明内容

本发明克服了在上文所描述的工艺中所提到的问题，并涉及用于从废料中再循环金属的再循环工艺，该再循环工艺由三个子工艺组成。在第一子工艺中，有机部分在氧化气氛中在防止金属氧化的低温下被氧化。在第二子工艺中，杂质残渣在较高的温度下并且在惰性气氛中被去除，去除粘附到金属的非金属组分。优选地通过两次所提到的热处理来连续地实施该工艺，最终产生净金属(clean metal)。该金属可适合于直接使用或在经历在非常接近金属的熔化温度的温度下烧结的第三子工艺之后使用。该工艺还允许处理被例如油或漆污染的金属，防止使用其他需要添加盐来将金属从其熔渣中分离的工艺。必须强调的是，该工艺的优点中的一个是它被连续实施。

当金属优选地呈具有减小的大小的颗粒的形式并且伴随有非金属组分特别是有机产物时，用于再循环金属废物的再循环工艺是特别合适的。通过两个连续的子工艺1和2，该工艺的第一阶段允许去除与金属相关联的所有那些有机材料，诸如冷却剂、泡沫、塑料、木材等，并且降低污染物(比如油漆负载)在再循环金属中的百分比，而不导致其氧化。因此，在第一阶段中，该工艺允许获得可在不同工业应用中被直接用作二次原料的呈丸(shot)或团块形式的净金属。在第二阶段中，预期子工艺3的应用，子工艺3允许在非常接近于但小于金属熔点的温度下压实金属(如果最终用途如此要求)，获得类似于熔融金属的最终品质。

因此，由本发明所提议的总工艺包括结合三个子工艺：前两个子工艺的目标是去除伴随金属废物的杂质，而第三子工艺的目标是通过烧结处理来压实金属。

在子工艺1中，大部分污染材料、特别是有机部分被去除。材料首先在氧化气氛中被加热至低于300℃的温度。在其中进行处理的反应器或熔炉设置有使材料保持运动的系统，其可通过诸如振动盘、旋转等的系统被制作。

另一方面，在子工艺2中，将由先前的子工艺产生的材料在惰性气氛中加热至400-550℃，以防止氧化。在还在运转中的此子工艺中，去除诸如炉渣和其他杂质的污染材料的剩余残渣。然后通过温度和机械处理(摩擦、膨胀等)的组合作用来分离粘附到金属表面的无机组分。这些无机组分可能起源于原始废物(陶瓷材料、油漆负载等)或者可能由于有机产物(炉渣)的不完全燃烧而已经在先前的子工艺中产生。

加热的两个子工艺(一个子工艺使用氧化气氛，并且另一个子工艺使用惰性气氛，两个子工艺均使用控制的温度范围)的所述组合允许以新颖且有效的方式获得不含原始杂质且没有几何形状改变的非氧化金属。此净金属可能已经作为二次原料被用在不同工业应用中。

然而，常常发生的是，粒状金属不能被再循环和重新用于任何工业应用中。此不可能性或困难的原因通常在于以下事实：小的金属在氧气存在的环境中随着温度上升而容易被氧化。因此，尽管由前两个子工艺产生的材料可在某些场合被直接重新使用，但本发明的工艺预期第三子工艺，该第三子工艺允许将粒状金属转变成与熔融金属相似的材料，后者适合在大部分工业工艺中使用，特别是在需要其通过常规系统熔化的那些工业工艺中。使起源于子工艺2的去污的粒状金属经历烧结过程，对于烧结过程，去污的粒状金属必须被加热至其中去污的粒状金属采取半固态(即糊状稠度)的温度(所述温度取决于每种金属)，以便随后按压成团块或类似物的形式。因此，当需要时，该子工艺3完成用于再循环原始金属废物的总的再循环工艺。

附图说明

为补充所作出的描述和为了帮助更好地理解根据本发明的优选的实践实施方案的本发明的特征的目的，附上附图作为所述描述的整体部分，其中，下文已经用说明性和非限制性的文字描绘。

图1示出了本发明的工艺的优选实施方案的流程图，其中可区分子工艺1、2和3。

具体实施方式

该工艺由三个子工艺组成，该三个子工艺可被分为两个阶段：

阶段1：子工艺1和子工艺2的目标是通过两次连续的处理去除杂质，尤其是有机杂质(油、塑料等)，一次处理是在氧化介质和低温中，且第二次处理是在惰性介质中在较高温度下。结果为净金属，其可被直接出售或熔融或可在接下来的阶段中被烧结。

阶段2：另一方面，当再循环的材料的应用如此要求时，子工艺3接收已经不含在子工艺1和2中产生的杂质的金属材料、尤其是小的金属材料，以便通过在低于熔化温度的温度下按压被烧结。

根据本发明的工艺的优选实施方案，下文详细说明每个子工艺。

在子工艺1中，具有杂质的金属材料被引入以通过在约300℃的温度下氧化去除水分和有机化合物。目标是去除呈气体形式的所述化合物的大部分，防止金属氧化。氧气或空气必须以对于氧化所有存在的有机物质足够的化学计量与待处理的材料一起被引入。其中进行该步骤的设备必须设置有导致材料运动的系统，该系统既用于材料的向前运动又用于允许均匀加热和整个有机部分对氧化气体的暴露。加热可通过直接加热(例如，位于设备内部的燃烧器或电阻器)或通过设置有加热系统(例如，位于套管中的电阻器、燃烧器、热空气等)的外部套管进行。设备还需要调节材料经历的温度的控制器。如果被处理的材料包含其燃烧不允许达到处理温度的有机部分，则加热系统必须提供必要的另外的加热。如果存在大量的有机部分且其燃烧将温度提高至300℃以上，则系统必须通过各种实践来控制：用吸收热量且容易可回收的惰性材料(矿物、另一金属等)稀释待处理的金属材料；和/或供应不富含氧气的气体；和/或借助于循环穿过外部套管的流体冷却。在该温度下产生的气体可在排放到大气之前被及时处理。所述处理所需的设备取决于正被处理的特定材料和其包含的杂质的水平，然而，至多需要以下设备：后燃烧器、气体冷却器和袋滤器。

在子工艺2中，使子工艺1中处理的材料(在其没有冷却下来的情况下)经历400-450℃范围之内的温度，以便完成去除杂质。因为这是金属可以氧化的温度，所以此步骤在不含氧气的惰性介质中进行。已验证，在先前处理结束时仍然存在的炉渣积聚物和其他杂质因此被去除。在此步骤中，所使用的设备还必须优选地设置有用于使材料运动的系统，因为此运动和温度一起产生允许获得净金属材料的组合效应(膨胀、摩擦等)。惰性气体可从设备中提取出，通过在旋风器和/或袋滤器中颗粒去除来纯化，并再次重新循环到内部。如同上述情况，加热系统可以是直接加热系统或通过套管的间接加热系统，除了可在介质中引入氧气的直接系统(例如，具有火焰的燃烧器)除外。所得金属材料可被直接出售或熔融或可进入接下来的子工艺3以用于烧结。在非压实的净金属的情况中，快速冷却系统对于防止氧化来说可以是必需的。为此，震动冷却盘、水立方块(water cube)、低温系统或任何其他金属冷却装置可被使用，能够包括惰性气氛的需要。

在子工艺3中，先前阶段中产生的干净的粒状材料可通过在压力下烧结被压实。为此，材料的温度必须被提高到在惰性介质中被处理的金属的熔化温度的85-97％，并且然后该材料必须通过压机经历压实。在这些条件下获得的材料具有接近于对应于熔融金属的密度的100％的密度。子工艺3由以下形成：计量系统，该计量系统用于优选地在与子工艺2相同的输出温度下并且借助于允许精确计量的系统(齿槽阀、具有取决于所检测的重量的称重和开放系统的室)计量熔融金属(hot metal)；如下系统，该系统允许将温度提高至熔化温度的85-97％，使得材料在具有最少液体部分的半固态的范围内，允许压实过程中的材料与材料落在其上的加热模具的最佳粘附，以便通过例如设置有一个或两个活塞的压机来压实。当材料冷却时，冷却系统在一些情况中可能是必需的，以使能够减少循环时间，去除活塞，打开模具并且提取压实的金属。

鉴于本描述和图1，所描述的优选实施方案可通过使在本发明的目的内所描述的阶段和子工艺组合来转换为其他相似实施方案。已经根据本发明的几个优选实施方案描述了本发明，然而，可以在所述优选实施方案中引入几种变型，而不超出要求的发明的目的。

实施例：

以下示出代表本发明的工艺目标的应用的两个实验实施例：

实施例1：工艺开始于由被各种有机材料污染的铝丸组成的废物。小于1mm的部分包含总碳量的11.45％，而在1-2mm之间的部分包含9.77％。原始材料已经经历上述阶段1的子工艺。具体地，原始材料在子工艺1中已经经历295℃的温度持续半小时，气化所有碳的化学计量学上所需的氧气的120％已经被循环。随后在子工艺2中，原始材料已经在惰性氩气氛中经历430℃的温度持续半小时。获得的所得材料已被分类为两个部分：小于1mm和1-2mm。第一部分的碳含量已被降低至0.18％，并且第二部分的碳含量被降低至0.13％。因此可观察到所描述的工艺的有效性，碳去除性能在两种情况下均大于98％。另一方面，处理之前在金属中所分析的氧为1.4％，且在子工艺1和2中的处理之后所获得的氧为0.3％。换言之，可观察到的是，该工艺没有导致材料氧化，并且相反地，已经允许去除存在于起始材料中的表面氧化物的一部分。

实施例2：经历处理的废物是被油性产物的混合物污染的20cm长且0.5mm直径的一束铜线。原始材料的碳含量为12％。该材料已经经历上述阶段1的子工艺。具体地，该材料在子工艺1中，经历300℃的温度持续45分钟，气化所有碳的化学计量学上所需的氧气的120％已经被循环。随后在子工艺2中，该材料在惰性氩气氛中经历430℃的温度持续45分钟。所得部分的碳含量为0.2％，碳去除性能大于98％。氧含量在处理步骤之后保持不变。

Claims (5)

1.用于再循环包含表面杂质的粒状金属材料的再循环工艺，其特征在于，所述工艺组合子工艺1和子工艺2，其中在子工艺1中通过在受控的氧化气氛中使起始材料加热至低于或等于300℃的温度来部分地去除污染材料；并且在子工艺2中在惰性气氛中使来自子工艺1的材料加热至400-550℃，并且通过组合的热机械作用去除污染材料的剩余残渣。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中材料在子工艺1和子工艺2期间保持运动。

3.根据权利要求1所述的工艺，其中来自子工艺2的材料是粒状净金属，所述粒状净金属适合于在各种工业应用中用作二次原料。

4.根据权利要求2所述的工艺，其中来自子工艺2的材料是粒状净金属，所述粒状净金属适合于在各种工业应用中用作二次原料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中所述工艺通过使起源于子工艺2的去污的粒状金属经历烧结过程来完成，对于所述烧结过程，所述去污的粒状金属必须被加热至低于其熔点的温度，其中所述去污的粒状金属采取半固态，以便随后按压成团块的形式，所述烧结过程在子工艺3中发生。