» » Выплавка первичного алюмокремниевого сплава
24.04.2015

В настоящее время установлены все основные технологические условия (сырье и его подготовка, восстановитель, режим работы электрических печей и т. д), необходимые для выплавки в промышленном масштабе первичного алюмокремниевого сплава.
По мере повышения содержания кремния в таком сплаве вероятность образования карбида алюминия уменьшается и, напротив, количество Al4C3 возрастает по мере повышения концентрации в сплаве алюминия Экспериментально установлено, что без заметного образования Al4C3 могут быть получены алюмокремниевые сплавы, содержащие до 70—72% Al. Попытки выплавить сплавы с большей концентрацией алюминия приводят к резкому возрастанию в них карбида алюминия.
Как показал М.Б. Рапопорт, причину такого ограничения содержания алюминия в сплаве следует искать в реакции разрушения карбида алюминия кремнеземом:
2Аl4С3 + 3SiO2 = 8Аl + 3Si + 6СО.

Из уравнения этой реакции следует, что при взаимодействии карбида алюминия и кремнезема в стехиометрических количествах (2 молекулы Al4C3 и 3 молекулы SiO2) образуется сплав, содержащий 72% Al и 28% Si Отсюда вытекает, что реакцией разрушения карбида алюминия кремнеземом и определяется предел содержания свободного от карбида металлического алюминия в сплаве.
При наличии в сплаве примесей железа, титана, кальция и др. содержание алюминия в свободном от карбида алюминия сплаве не будет практически превышать 70%.
Если сплав (по расчету) должен получаться с большим содержанием алюминия, то количество кремнезема будет недостаточным для разрушения неизбежно образующегося в условиях восстановления углеродом карбида алюминия.
Экспериментальные исследования различного вида кремнезем-глиноземистого сырья как природного, так и искусственного позволяют прийти к заключению о возможности применения для электротермической выплавки первичного алюмокремниевого сплава любых исходных материалов независимо от их происхождения и минералогического состава. Так, для этой цели может быть использовано разнообразное природное кремнезем-глиноземистое сырье, каолины, кианиты, андалузиты, силлиманиты, корунды, диаспоры, а также искусственно полученные материалы — технический глинозем, электрокорунд, муллит и даже окисная часть шлаков от плавки алюминия и его сплавов.
Для советской алюминиевой промышленности большой интерес представляют два вида кремнезем глиноземистого сырья с целью выплавки из него алюмокремниевых сплавов Это — кианиты Кейвского месторождения на Кольском полуострове и силлиманиты Кяхтинского месторождения в Бурятии (Восточная Сибирь)
Среди выявленных и изученных к настоящему времени месторождений высокоглиноземистого сырья в России месторождения кианитовых руд Кольского полуострова благодаря высокому содержанию в руде собственно кианита (Al2O3-SiO2), огромным запасам и технической изученности имеют первостепенное значение как рудная база для электротермической выплавки первичных алюмокремниевых сплавов.
Практическое освоение кейвских кианитов для производства электротермических алюминиевых сплавов до последнего времени тормозится в основном отсутствием на Кольском полуострове крупных гидроэнергетических ресурсов.
В связи с этим Кольским филиалом АН России недавно были проведены исследования, показавшие целесообразность организации производства электротермических алюминиевых сплавов из кейвских кианитов за счет использования потенциальных гидроэнергетических ресурсов северо-восточных районов России (рек Оби и Енисея) путем доставки сюда концентратов кейвских кианитов.
Применение предварительного обогащения кианитовых руд в тяжелых суспензиях дает возможность получить высококачественный концентрат с содержанием от 56 до 59% Al2O3 и около 1,6% суммы Fe2O3+TiO2.
Силлиманитовые породы Кяхтинского месторождения, находясь в районе сооружения крупных гидроэлектростанций на Ангаре и Енисее и вблизи железной дороги, являются весьма перспективным сырьем для производства здесь электротермических алюмокремниевых сплавов.
Эти породы имеют ряд разновидностей — от плотных силлиманито-вых сланцев, слабо каолинизированных, где глинозем представлен силлиманитом (Al2O3*SiO2) и лишь частично каолинитом (Al2О3*2SiО2*2Н2О), до каолинитизированных сланцев, где преобладающим глиноземистым минералом является каолинит. Все разновидности силлиманитовых руд содержат в среднем 1—1,2% рутила, который может быть выделен гравитационным обогащением. Плотные неизмененные силлиманитовые породы легко подвергаются флотационному обогащению с получением силлиманитового концентрата, содержащего 59,6% Al2O3, 36,7% SiO2, 1,6% TiO2 и 1,3% Fe2O3 при выходе такого концентрата свыше 42%.
Присутствие различных примесей в кремнезем-глиноземистых породах отрицательно сказывается на процессе руднотермической плавки. Поэтому эти породы, как указано выше, должны подвергаться обогащению с целью получения кондиционных концентратов
Примерные требования к качеству кианитового или силлиманитового концентратов заключаются в следующем:
1) содержание окиси алюминия не менее 58—60%,
2) содержание примесей:
а) окислов железа и титана в сумме не более 1,5—2%;
б) окислов щелочных металлов в сумме не более 0,5—1,0%,
в) окислов щелочноземельных металлов в гумме не более 0,5—1,0%.
Высокое содержание окислов железа и титана в исходном сырье снижает выход алюминия при извлечении его из первичного става железо и титан связывают часть алюминия в интерметаллические со единения. Значительное же количество окислов щелочных и щелочноземельных металлов нарушает нормальный ход руднотермической плавки из-за шлакообразования.
Необходимо отметить, что для получения высокого выхода алюминия при извлечении его из первичного алюмокремниевого сплава содержание окиси алюминия в исходном сырье желательно иметь около 65%. Поэтому для этой цели к рудным концентратам целесообразно добавлять высокоглиноземистые материалы (технический глинозем, корунд, муллит). Такая добавка глинозема к кианитовому и силлиманитовому концентратам составляет 5—10%, а к каолиновому концентрату примерно 30% Несмотря на некоторое повышение затрат на сырье при применении добавки глинозема, такая добавка себя оправдывает, так как основная часть алюминия получается главным образом из окиси алюминия, входящей в состав природных алюмосиликатов.
Исследования влияния на руднотермический процесс различных углеродистых восстановителей показали, что природа последних сказывается на ходе плавки и на расходе электроэнергии. При этом различие в электропроводности углеродистых восстановителей играет значительно большую роль, нежели их реакционная способность. Наилучшими восстановителями для рассматриваемого руднотермического процесса являются бурые и молодые каменные угли, торфяной кокс и древесный уголь. Все другие углеродистые материалы значительно им уступают
Экспериментально также установлено, что наилучшей подготовкой шихты для выплавки кремнеалюминиевых сплавов является брикетирование после предварительного измельчения и тщательного смешивания исходных кремнезем-глиноземистых материалов и восстановителя
Испытания различных электрических режимов (плотности тока, напряжения) дали возможность установить необходимые параметры для выплавки алюмокремниевых сплавов. Оказывается, что удельный расход электроэнергии практически не зависит от содержания алюминия в сплаве, так как расход топлива на восстановление Al2O3 и SiO2 нa единицу веса алюминия и кремния примерно одинаков.
Опыт выплавки алюмокремниевых сплавов в электрических печах различной мощности (от 50—100 до 10 тыс. ква) показал, что расход электроэнергии уменьшается с увеличением мощности печи. Для крупных электрических печей расход электроэнергии на выплавку 1 т первичного алюмокремниевого сплава составляет примерно 10 тыс. квт-ч Технология выплавки первичного кремнеалюминиевого сплава к настоящему времени полностью освоена советскими исследователями и инженерами. Подробное описание теории и практики ее сделано M.Б. Рапопортом в III разделе монографии «Электрометаллургия алюминия». Важнейшим вопросом, который требует своего окончательного решения, является выбор наилучшей конструкции (типа) промышленной электрической печи и ее параметров, для чего необходимы более длительные испытания выплавки первичного алюмокремниевого сплава в промышленных руднотермических электропечах различных типов.