CN111893335A - 一种铝锂合金废料废屑再生回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于有色金属材料循环利用技术领域，具体涉及一种铝锂合金废料废屑再生回收方法。本发明采用真空中频感应熔铸工艺回收铝锂合金废料废屑，通过两次精炼，多级过滤方式进行铝锂合金废料废屑回收，添加除杂剂消除部分铝锂合金废料废屑引入的金属和非金属夹杂，并添加高效细化剂细化铝锂合金再生铸锭晶粒，从而获得高纯净晶粒细化的高品质铝锂合金再生铸锭。本发明的方法可有效回收航空航天、电子器件等领域所产生的铝锂合金废料废屑，安全环保、生产效率高、再生铸锭品质高，回收再生的产品仍能用于原领域，无需降级使用，为铝锂合金的再生利用提供了一条有效的途径。

Description

一种铝锂合金废料废屑再生回收方法

技术领域

本发明属于有色金属材料循环利用技术领域，具体涉及一种航空航天、电子器件等领域所产生的铝锂合金废料废屑回收再生方法。

背景技术

铝合金中每添加1%的锂，密度降低3%，采用铝锂合金代替常规的航空铝合金可使结构质量减轻5%~15%，弹性模量提高10~16%，刚度提高15%~20%，铝锂合金在航空航天领域显示出广阔的应用前景。但是，一方面，锂元素较为活泼，易挥发，铝锂合金熔铸难度大，铸锭成品率低；另一方面，锂元素的加入削弱了铝合金的塑韧性，使铝锂合金成型性和变形加工能力变差，加工成品率低。国产5A90铝锂合金产品废料产生比例高达60%，这也是铝锂合金价格一直高居不下的主要原因之一。随着国内铝锂合金生产技术不断完善，市场不断成熟，铝锂合金产量将显著增长，未来积累的铝锂合金废料将会越来越多。

按表面尺寸废料主要分为：一级废料(60%)：铸锭工艺废料(感应炉与真空炉放干料，切头、切尾)、报废铸锭、加工（压延、挤压、锻造）环节产生的大块报废、大块工艺废料等；二级废料：薄壁类加工品（薄板、型材）残料产生的废料；三级废料：铸锭表面车削、铣削、锯切等加工产生的屑类废料。大块铝锂合金一级废料，经过简单处理后可直接回炉，实现回收再利用。二、三级废料，表面积较大，常规熔炼方法极易烧损、造渣，不能直接回炉使用。

受现有技术制约，目前还没有较好的回收二、三级废料废屑的方法，只能采取集中分类存放的方式进行贮存，非常耗费人力物力。常温下铝锂合金就会与水发生反应，特别是三级废料以废屑为主，表面积大，在潮湿的环境下极易吸潮，处置不当易发生火灾等安全事故，具有较大的安全隐患。

Alcan铝业公司的专利CN 200680028805.0提出一种回收铝-锂型合金废料的方法，该方法在熔体上方形成一层漂浮的废屑层，采用不使用气体保护或少量使用气体防护方式，在回收过程中上层废屑易氧化烧损，废屑回收率难以保证。此外，在漂浮废屑层的最终熔融过程中，该方法通过加入熔融的盐防止其被氧化，但引入的熔融盐较难去除，将成为新的杂质，降低回收产品的纯净度。

申请号为201811610910.6的中国专利提出一种铝锂合金加工屑的回收方法，该方法将铝锂合金废屑加入到熔融纯铝液中，废屑加入过程中气体保护效果不好，易氧化烧损造渣；铝屑表面张力大，直接加入到铝熔体中易漂浮在表面，随着加入过程中炉内气体流动，易发生氧化烧损，整体回收效果不佳。

根据现有技术，多采用惰性气体保护方式对废料进行回收，但动态的加料过程，会扰动惰性气体的保护氛围，由于含锂合金的特殊活性，高温环境下与气体直接接触的废料极易迅速氧化成渣。

因此，如何能够避免铝锂合金废料废屑在回收过程中的氧化烧损，提升铝锂合金废料废屑的回收效果和利用价值，打造铝理合金循环经济，具有非常重要的现实意义。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供了一种铝锂合金废料废屑回收再生方法，以提高铝锂合金二、三级废料的利用率。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种铝锂合金废料废屑回收再生方法，包括如下步骤：

（1）预处理：

将铝锂合金二级废料依次进行打磨、清洗、破碎后，获得二级废料；将铝锂合金三级废屑依次进行磁选、筛选、清洗、压块后，获得饼状铝锂废料；将获得的二级废料与饼状铝锂废料按照一定比例混合后，得到铝锂混合废料；

（2）熔炼：

将步骤（1）所得铝锂混合废料烘干后，置于真空熔炼设备中，抽真空并缓慢升温至380-420℃，通入氩气，进行真空熔炼；待铝锂混合废料全部熔化后，加入除杂剂，精炼10~30min，静置10~30min（还可以将精炼后的铝锂混合废料在相同的条件下进行二次精炼10~30min，并再次静置10~30min），得到金属液；

（3）铸造：

向步骤（2）所得的金属液中加入细化剂，静置15~40min后，在720~780℃下浇铸成型，再经多层过滤后，得到铝锂合金再生铸锭，降温至100℃-200℃，取出铝锂合金再生铸锭即可。

优选的，步骤（1）所述铝锂合金为合金牌号包括但不限于2A97、5A90、2195、2050或8090的铝锂合金。

优选的，步骤（1）获得的二级废料尺寸为50~100mm；步骤（1）中铝锂合金三级废屑经磁选、筛选、清洗得到尺寸为1~10mm的三级铝锂合金洁净废屑，再经压块后得到尺寸为Φ100~150mm的饼状铝锂废料；步骤（1）得到铝锂混合废料中饼状铝锂废料质量百分比为30~70%。

优选的，步骤（2）中的烘干条件为在120~250℃下烘干2~4h。

优选的，步骤（2）熔炼时，抽真空至0.1~10Pa，并通入1000~3000Pa的氩气。

优选的，步骤（2）所述真空熔炼设备为真空感应熔炼炉。

优选的，步骤（2）所述除杂剂为B、Be、La、Ce中的至少一种，加入除杂剂的质量百分比为0.03~0.15%。

优选的，步骤（2）所述精炼工序为在通入氩气的同时进行机械转子搅拌，搅拌速度为60~150r/min，氩气的通气量为0.1~1.0L/min。

优选的，步骤（3）中浇铸成型时，将步骤（2）获得的金属液通过转液的方式直接加入到成分相同的铝锂合金新料熔体中，用于制备再生铸锭，所加金属液的质量百分比为5~30%。

优选的，步骤（3）所述细化剂为中间合金Al-Ti-B、Al-Ti-C和Al-Ti-C-Sr中的任一种，加入细化剂的质量百分比为0.03~0.2%。

优选的，步骤（3）所述多层过滤的方式为：依次采用3~8目不锈钢网、10~40目钛网以及10~20目氧化镁陶瓷滤片逐层过滤。

优选的，步骤（3）获得铝锂合金再生铸锭后，将步骤（3）获得的铝锂合金再生铸锭以原料形式与相同成分铝锂合金新料进行配料重熔，所加铝锂合金再生铸锭的质量百分比为10~50%。

本发明的有益效果是：

1. 本发明采用真空中频感应熔铸工艺回收铝锂合金废料废屑，在真空条件下隔绝空气，减少铝锂合金废料废屑氧化烧损；通入一定量保护气体，使炉内压力高于锂、镁元素饱和值蒸气压，防止元素烧损，保证再生铸锭成分稳定；采用氧化镁坩埚进行铝锂合金废料废屑回收，通过电磁感应使熔体不断搅动，减少铝锂合金废料废屑与炉内气氛接触时间，防止真空度不足或保护气体纯度不够引起的氧化烧损，从而得到高纯净铝锂合金再生铸锭，实现铝锂合金废料废屑的有效回收。

2. 本发明采用两次精炼，多级过滤方式进行铝锂合金废料废屑回收，精炼过程中通过机械搅拌使废料废屑原有氧化物团聚，在氩气带动下上浮，在熔体表面团聚，有效减少熔体中的气、渣含量，实现对熔体净化；过滤过程中，通过不同孔隙、不同材质滤网，实现对铝锂合金熔体中细小夹杂物的隔离和吸附，进一步净化铝锂合金熔体。

3. 本发明在铝锂合金废料废屑熔炼过程中，通过添加除杂剂消除部分铝锂合金废料废屑引入的金属和非金属夹杂，通过添加细化剂细化铝锂合金再生铸锭晶粒，细化变质铝锂合金共晶组织，从而获得高纯净晶粒细化的高品质铝锂合金再生铸锭。

4. 本发明的优点在于采用除杂剂、细化剂等多种手段对熔体进行净化，实现了高品质铝锂合金废料废屑再生铸锭的制备，较常规方法，回收效率高、再生铸锭品质好，大大减轻了回收过程的劳动强度和环境污染，再生铸锭可进行锻造、挤压、轧制等变形加工制备铝锂合金成品或半成品，获得的产品综合性能与新制备的铝锂合金产品相当，回收再生的铝锂合金产品仍能用于原领域，无需降级使用。本发明的方法可有效回收航空航天、电子器件等领域所产生的铝锂合金废料废屑，安全环保、生产效率高、再生铸锭品质高，回收再生的产品仍能用于原领域，无需降级使用，为铝锂合金的再生利用提供了一条有效的途径。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

各实施例中采用的打磨、破碎、磁选、筛选、压块、搅拌、过滤等工序均采用现有技术即可。

本发明实施例及对比例所涉及铝锂合金牌号及合金成分如表1所示。

表1 铝锂合金牌号及合金成分。

实施例1

一种铝锂合金废料废屑回收再生方法，具体步骤如下：

（1）预处理：

将2A97（1.5wt. %Li、3.9wt. %Cu、0.4wt. %Mg、0.11wt. %Zr，余量Al）铝锂合金二级废料依次进行打磨、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）、破碎后，获得尺寸为50~100mm的二级废料；将2A97铝锂合金三级废屑依次进行磁选、筛选、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）后得到尺寸为1~10mm的三级铝锂合金洁净废屑，再经压块后得到尺寸为Φ100~150mm的饼状铝锂废料，将获得的二级废料与饼状铝锂废料混合后，得到铝锂混合废料，其中饼状铝锂废料质量百分比为30%；

（2）熔炼：

将步骤（1）所得铝锂混合废料在120℃下烘干2h后置于氧化镁坩埚中，再置于真空感应熔炼炉中抽真空至2Pa，缓慢升温至400℃，冲入1000Pa氩气，进行熔炼；待铝锂混合废料全部熔化后，以块状Al-3B中间合金的形式加入质量百分比为0.1%的除杂剂 B，在通入氩气的同时机械转子搅拌精炼20min，搅拌速度为120r/min，氩气的通气量为1.0L/min，精炼后静置15 min，在相同的条件下进行二次精炼20min，再静置15 min，得到金属液；

（3）铸造：

向步骤（2）所得金属液中加入质量百分比为0.1%的杆状Al-5Ti-1B（细化剂），静置20min后，在750℃下浇铸成型，依次通过8目不锈钢网、20目钛网、15目氧化镁陶瓷滤片进行多层过滤以去除熔体中的氧化夹杂，得到铝锂合金再生铸锭；缓慢打开真空感应熔炼炉的真空阀，随炉冷却至100℃，开炉取出铝锂合金再生铸锭即可。

实施例2

一种铝锂合金废料废屑回收再生方法，具体步骤如下：

（1）预处理：

将5A90（2.0wt. %Li、5.0wt. %Mg、0.11wt. %Zr，余量Al）铝锂合金二级废料依次进行打磨、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）、破碎后，获得尺寸为50~100mm的二级废料；将2A97铝锂合金三级废屑依次进行磁选、筛选、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）后得到尺寸为1~10mm的三级铝锂合金洁净废屑，再经压块后得到尺寸为Φ100~150mm的饼状铝锂废料，将获得的二级废料与饼状铝锂废料混合后，得到铝锂混合废料，其中三级废屑质量百分比为60%；

（2）熔炼：

将步骤（1）所得铝锂混合废料在250℃下烘干4h后置于氧化镁坩埚中，再置于真空感应熔炼炉中抽真空至3Pa，缓慢升温至400℃，冲入1200Pa氩气，进行熔炼；待铝锂混合废料全部熔化后，以块状Al-3Be中间合金的形式加入质量百分比为0.05%的除杂剂Be，在通入氩气的同时机械转子搅拌精炼20min，搅拌速度为100r/min，氩气的通气量为0.5L/min，精炼后静置15 min，在相同的条件下进行二次精炼20min，再静置15 min，得到金属液；

（3）铸造：

向步骤（2）所得金属液中加入质量百分比为0.15%的杆状Al-3Ti-0.2C-5Sr（细化剂），静置20min后，在750℃下浇铸成型，依次通过8目不锈钢网、20目钛网、15目氧化镁陶瓷滤片进行多层过滤以去除熔体中的氧化夹杂，得到铝锂合金再生铸锭；缓慢打开真空感应熔炼炉的真空阀，随炉冷却至200℃，开炉取出铝锂合金再生铸锭即可。

实施例3

一种铝锂合金废料废屑回收再生方法，具体步骤如下：

（1）预处理：

将5A90（2.0wt. %Li、5.0wt. %Mg、0.11wt. %Zr，余量Al）铝锂合金二级废料依次进行打磨、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）、破碎后，获得尺寸为50~100mm的二级废料；将2A97铝锂合金三级废屑依次进行磁选、筛选、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）后得到尺寸为1~10mm的三级铝锂合金洁净废屑，再经压块后得到尺寸为Φ100~150mm的饼状铝锂废料，将获得的二级废料与饼状铝锂废料混合后，得到铝锂混合废料，其中三级废屑质量百分比为40%；

（2）熔炼：

将步骤（1）所得铝锂混合废料在200℃下烘干3h后置于氧化镁坩埚中，再置于真空感应熔炼炉中抽真空至5Pa，缓慢升温至400℃，冲入1600Pa氩气，进行熔炼；待铝锂混合废料全部熔化后，以块状Al-3Be中间合金的形式加入质量百分比为0.03%的除杂剂Be、以块状Al-10La中间合金的形式加入质量百分比为0.03%的除杂剂La，在通入氩气的同时机械转子搅拌精炼20min，搅拌速度为90r/min，氩气的通气量为0.1L/min，精炼后静置15 min，在相同的条件下进行二次精炼20min，再静置15 min，得到金属液；

（3）铸造：

按照质量百分比为20%的比例将步骤（2）所得金属液通过真空包转液的形式加入到新料配制的相同成分5A90熔体中，得到混合金属液，向混合金属液中加入质量百分比为0.1%的杆状Al-5Ti-0.2C（细化剂），静置20min后，在750℃下浇铸成型，依次通过8目不锈钢网、20目钛网、15目氧化镁陶瓷滤片进行多层过滤以去除熔体中的氧化夹杂，得到铝锂合金成品再生铸锭；缓慢打开真空感应熔炼炉的真空阀，随炉冷却至100℃，开炉取出铝锂合金成品再生铸锭即可。

实施例4

一种铝锂合金废料废屑回收再生方法，具体步骤如下：

（1）预处理：

将5A90（2.0wt. %Li、5.0wt. %Mg、0.11wt. %Zr，余量Al）铝锂合金二级废料依次进行打磨、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）、破碎后，获得尺寸为50~100mm的二级废料；将2A97铝锂合金三级废屑依次进行磁选、筛选、清洗（采用工业酒精或工业金属除油剂）后得到尺寸为1~10mm的三级铝锂合金洁净废屑，再经压块后得到尺寸为Φ100~150mm的饼状铝锂废料，将获得的二级废料与饼状铝锂废料混合后，得到铝锂混合废料，其中三级废屑质量百分比为30%；

（2）熔炼：

将步骤（1）所得铝锂混合废料在120℃下烘干2h后置于氧化镁坩埚中，再置于真空感应熔炼炉中抽真空至3Pa，缓慢升温至400℃，冲入2200Pa氩气，进行熔炼；待铝锂混合废料全部熔化后，以块状Al-3B中间合金的形式加入质量百分比为0.03%的除杂剂B、以块状Al-10Ce中间合金的形式加入质量百分比为0.05%的除杂剂Ce，在通入氩气的同时机械转子搅拌精炼20min，搅拌速度为150r/min，氩气的通气量为1.0L/min，精炼后静置15 min，在相同的条件下进行二次精炼20min，再静置15 min，得到金属液；

（3）铸造：

向步骤（2）所得金属液中加入质量百分比为0.2%的杆状Al-5Ti-1B（细化剂），静置20min后，在750℃下浇铸成型，依次通过8目不锈钢网、20目钛网、15目氧化镁陶瓷滤片进行多层过滤以去除熔体中的氧化夹杂，得到铝锂合金再生铸锭；缓慢打开真空感应熔炼炉的真空阀，随炉冷却至200℃，开炉取出铝锂合金再生铸锭；

（4）重铸：

将步骤（3）所得铝锂合金再生铸锭以原料形式与相同成分的5A90铝锂合金新料进行配料重熔，获得铝锂合金成品再生铸锭，所加铝锂合金再生铸锭的质量百分比为40%。

对比例1

按照铝锂合金2A97（1.5wt. %Li、3.9wt. %Cu、0.4wt. %Mg、0.11wt. %Zr，余量Al）中各元素的配比，将各元素原料进行配料采用本发明实施例1中熔化、精炼、浇铸的工艺参数，获得2A97铝锂合金铸锭。

对比例2

按照根据铝锂合金5A90（2.0wt. %Li、5.0wt. %Mg、0.11wt. %Zr，余量Al）中各元素的配比，将各元素原料进行配料采用本发明实施例1中熔化、精炼、浇铸的工艺参数，获得5A90铝锂合金铸锭。

将实施例1~4、对比例1~2所制得的铝锂合金铸锭进行相同工艺的均匀化热处理、挤压开坯、热轧、固溶时效热处理，最终获得相同规格的2mm铝锂合金薄板。

采用IRIS Intrepid等离子体光谱仪对铸锭试样的Na、Li元素含量进行测试，采用RHEN602测氢仪对铸锭试样的H含量进行测试，采用SUN10电子万能试验机对薄板试样的力学性能进行测试，取3组平行样的平均值作为测试结果。获得的薄板试样各性能测试结果如表2所示。

表2 铝锂合金废料废屑再生铸锭性能测试结果。

由表2可见，本发明将铝锂合金二、三级废料废屑进行再生回收获得的铸锭以及将其变形加工后得到的铝锂合金薄板产品的综合性能与将铝锂合金中各元素的原料熔铸得到的合金产品的综合性能相当，即可说明采用本发明所述铝锂合金废料废屑回收再生方法可以实现将铝锂合金二、三级废料废屑转化为符合生产标准的原料，从而实现本发明提升铝锂合金废料废屑的回收效果和利用价值的目的。

最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种铝锂合金废料废屑再生回收方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）预处理：

将铝锂合金二级废料依次进行打磨、清洗、破碎后，获得二级废料；将铝锂合金三级废屑依次进行磁选、筛选、清洗、压块后，获得饼状铝锂废料；将获得的二级废料与饼状铝锂废料按照一定比例混合后，得到铝锂混合废料；

（2）熔炼：

将步骤（1）所得铝锂混合废料烘干后，置于真空熔炼设备中，抽真空并缓慢升温至380-420℃，通入氩气，进行真空熔炼；待铝锂混合废料全部熔化后，加入除杂剂，精炼，得到金属液；

（3）铸造：

向步骤（2）所得的金属液中加入细化剂，在720~780℃下浇铸成型，再经多层过滤后，得到铝锂合金再生铸锭，降温至100℃-200℃，取出铝锂合金再生铸锭即可。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（1）所述铝锂合金是指合金牌号为2A97、5A90、2195、2050或8090的合金。

3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（1）获得的二级废料尺寸为10~200mm；步骤（1）中铝锂合金三级废屑经磁选、筛选、清洗得到尺寸为1~10mm的三级铝锂合金洁净废屑，再经压块后得到尺寸为Φ100~150mm的饼状铝锂废料；步骤（1）得到铝锂混合废料中饼状铝锂废料质量百分比为30~70%。

4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（2）熔炼时，抽真空至0.1~10Pa，并通入1000~3000Pa的氩气。

5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（2）所述除杂剂为B、Be、La、Ce中的至少一种，加入除杂剂的质量百分比为0.03~0.15%。

6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（2）所述精炼工序为在通入氩气的同时进行机械转子搅拌，搅拌速度为60~150r/min，氩气的通气量为0.1~1.0L/min。

7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（3）中浇铸成型时，将步骤（2）获得的金属液通过转液的方式直接加入到成分相同的铝锂合金新料熔体中，所加金属液的质量百分比为5~30%。

8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（3）所述细化剂为中间合金Al-Ti-B、Al-Ti-C和Al-Ti-C-Sr中的任一种，加入细化剂的质量百分比为0.03~0.2%。

9.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（3）所述多层过滤的方式为：依次采用3~8目不锈钢网、10~40目钛网以及10~20目氧化镁陶瓷滤片逐层过滤。

10.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（3）获得铝锂合金再生铸锭后，将步骤（3）获得的铝锂合金再生铸锭以原料形式与相同成分铝锂合金新料进行配料重熔，所加铝锂合金再生铸锭的质量百分比为10~50%。