» » Переработка первичного алюмокремниевого сплава на конструкционные алюминиевые сплавы и технический алюминий
24.04.2015

Первичный алюмокремниевый сплав, выплавляемый из кианитового или силлиманитового концентратов с применением в качестве восстановителя каменного угля, имеет примерно следующий состав: 35—40% Si, 2—4% Fe, 1—6% Ti, 0,5—1,0% Ca, 1,5% С, О и др, остальное Al.
Исходя из числа наиболее важных компонентов, такой сплав может быть отнесен к четверной системе Al—Si—Fe—Ti. Однако эта система не изучена. В первом приближении для суждения о плавкости и составе образующихся фаз можно пользоваться тройной системой, диаграмма плавкости которой (рис. 65) изучена достаточно подробно рядом исследователей. В алюминиевом углу этой диаграммы Л.Н. Сергеев и Б.И. Риммер установили три интерметаллических соединения Al3Fe, Al5FeSi (χ-составляющая) и Al4FeSi2 (δ-составляющая)
Поэтому если подвергнуть охлаждению сплавы, близкие по своему составу к электротермическим алюмокремниевым, то первоначально в твердую фазу выделится кремний, а затем тройные Al—Si—Fe составляющие (на основе соединений Al4SiFe и Al5FeSi в зависимости от состава сплава) до того момента, пока состав жидкой фазы не дойдет до состава тройной эвтектики (12% Si, 0,6% Fe, остальное Al), которая затвердевает в последнюю очередь при температуре 575°.
Переработка первичного алюмокремниевого сплава на конструкционные алюминиевые сплавы и технический алюминий

Первичный алюмокремниевый сплав может быть переработан раз лично, причем наибольшее практическое значение имеют следующие способы:
1) способ разбавления первичного сплава алюминием до состава, отвечающего силумину,
2) фильтрационный способ получения силумина;
3) цинковый способ получения кремнистого алюминия,
4) цинк-магниевый и цинк-марганцевый способы получения технически чистого алюминия.
Способ разбавления первичного алюмокремниевого сплава чистым алюминием до состава силумина (с 12% Si) был применен в нашей алюминиевой промышленности еще в 1934 г. на Днепровском алюминиевом заводе. В данном случае выплавка первичного сплава осуществлялась из чистых украинских каолинов с применением древесного угля в качестве восстановителя.
Такой способ позволяет заменить часть электролитического алюминия в силумине алюминием, содержащимся в сплаве. Например, при 50% Al в первичном сплаве экономится 24% электролитического алюминия, при 60% — 30% и при 70% — 40%.
При получении силумина разбавлением первичного сплава алюминием можно поступать различно.
По одной схеме первичный сплав сразу разбавляют алюминием до состава силумина, легируют марганцем и фильтруют на вакуум фильтрах при температуре 575° Марганец вводят в жидкий первичный сплав для удаления из него железа, поэтому необходимо двойное весовое количество марганца по отношению к железу, содержащемуся в сплаве. В результате этого в твердую фазу выделяются интерметаллические железомарганцевые соединения, которые вместе с другими твердыми примесями задерживаются на фильтре, а отфильтрованный силумин является кондиционным сплавом.
По другой схеме первичный сплав декантируют (или фильтруют) при 675°, что делается лишь с целью частичного отделения кремния и обогащения жидкой фазы (фильтрата) алюминием. Фильтрат сплавляют затем с алюминием до состава силумина, легируют марганцем и вновь фильтруют при 575°.
Разбавление первичного электротермического сплава алюминием значительно более эффективно в экономическом отношении, нежели получение силумина сплавлением элементарного кремния с алюминием. Соответствующие расчеты, например, показывают, что при масштабе производства силумина в 160 тыс. т в год путем разбавления первичного сплава (полученного восстановлением каолина) алюминием достигается сокращение потребления электролитического алюминия на 35 тыс. г, снижение капиталовложений на 35 млн. руб. и экономия на эксплуатационных расходах в 40 млн. руб.
Обе схемы получения силумина разбавлением первичного алюмокремниевого сплава алюминием полностью освоены и могут быть использованы нашей промышленностью
Следует отметить, что близкий к описанному способ получения силумина до второй мировой войны применялся в Германии.
В основе фильтрационного способа получения силумина лежит процесс разделения первичного алюмокремниевого сплава на две фазы путем фильтрации при его охлаждении в полужидком состоянии. Как мы видели выше, при охлаждении первичного сплава из него в твердую фазу прежде всего выделяются кристаллы кремния. Одновременно из жидкой фазы выкристаллизовываются алюминиды и силициды примесей, содержащихся в первичном сплаве. По мере понижения температуры жидкая фаза все больше и больше обогащается алюминием и при 575° состав жидкой фазы практически отвечает эвтектике в тройной системе Al—Si—Fe (12% Si, 0,6% Fe и остальное Al), которая носит название эвтектического силумина.
С целью понижения содержания примеси железа в силумине в первичный сплав перед его фильтрованием также вводят двойное количество марганца по отношению к исходному содержанию железа.
Исходя из состава интерметаллических соединений, кристаллизующихся при фильтрации первичного сплава, можно примерно определить теоретическое количество алюминия, который может быть извлечен в виде силумина (свободного алюминия):
% Alсвоб = % Аl аналит — 2[%Fe + %Мп] — 1,7 % Ti.

Из этого выражения следует отрицательная роль примеси титана и особенно железа, повышение содержания которых в первичном сплаве будет снижать выход силумина при фильтрации. Поэтому необходимо в максимальной степени освобождаться от этих примесей в исходном сырье, предназначенном для выплавки первичного сплава.
При фильтрационном способе силумин получается без введения чистого алюминия извне. Здесь целесообразно вначале жидкий первичный сплав охладить до температуры 675° и декантировать или отфильтровать жидкую фазу Последнюю затем легируют марганцем и вторично фильтруют при 575°. Полученный фильтрат представляет собой силумин. Фильтр-остаток является ценным материалом для производства сплавов и восстановителем, например, в силико-термическом способе получения магния.
При получении цинковым способом кремнистого алюминия в первичный сплав для отделения кремния и примесей железа, титана, кальция и т. д. вводят цинк. При этом алюминий сплавляется с цинком, а кремний и примеси в форме алюминидов и силицидов выплывают на поверхность жидкого цинкалюминиевого сплава.
После охлаждения до 450° цинкалюминиевый сплав декантируют или фильтруют Из фильтрата цинк регенерируют путем дистилляции. Одновременно получается алюминии, который содержит примесь кремния в количестве, определяемом величиной добавки цинка и температуры, при которой осуществляется разделение жидкой и твердой фаз.
Применение цинкового способа целесообразно ограничить получением кремнистого алюминия с 2—3% Si и 0,1% Fe. Такой кремнистый алюминий можно получить при отношении оборотного цинка к алюминию примерно как 3,1:1. При этом не всегда целесообразно стремиться к глубокому удалению цинка из кремнистого алюминия, а, оставляя 6—7% последнего, получать конструкционный сплав — цинковистый силумин.
Для получения технически чистого алюминия кремнистый алюминий может быть подвергнут дополнительному магниевому рафинированию. С этой целью в кремнистый алюминий, содержащий 2—3% Si, вводят магний в количестве около 35% В результате этого происходит связывание кремния в кристаллический силицид магния, а избыточный магний образует жидкую фазу — алюминиевомагниевый сплав с температурой кристаллизации 450°. Растворимость силицида магния и других примесей в таком алюминиевомагниевом сплаве ничтожна Далее силицид магния, находящийся в твердой фазе, отделяют от жидкого сплава фильтрацией, при этом вследствие неполноты фильтрации часть жидкой фазы, содержащей алюминий, задерживается в твердой фазе. Из полученных таким путем жидкой и твердой фаз раздельно (в вакуумных печах) дистиллируют магний
После дистилляции магния из алюминиевомагниевого сплава получается технически чистый алюминий, а из твердой фазы — литейный сплав силуминового типа.
По способу магниевого рафинирования кремнистого (и цинковисто-кремнистого) алюминия в заводском масштабе получен электротермический алюминий, который по сумме примесей отвечает первичному алюминию марок A1 и А0 со следующим содержанием этих примесей 0,1—0,15% Fe, 0,11—0,28% Si, 0,1—0,15% Mg и следы Zn.
Исходя из того, что большинство алюминиевых сплавов содержит магний, при производстве значительной части алюминия по магниевому способу экономически целесообразно не производить полной дистилляции магния, а оставлять его в количестве 1—5%. В этом случае существенно возрастает производительность вакуум-дистилляционных печей и снижается удельный расход электроэнергии.
Последними исследованиями ВАМИ показано, что при добавке марганца в промежуточный цинкалюминиевый сплав (четырехкратное количество по отношению к примеси кремния) с последующей фильтрацией и дистилляцией цинка из фильтрата получается чистый алюминий, а в фильтр остатке — алюминиевомарганцевый сплав.
По цинк-марганцевому способу из электротермического промежуточного алюминиевоцинкового сплава получен алюминий, содержащий 0,23% Si, 0,035% Fe, 0,1% Mn, 0,004% Ca, 0,005% Ti и 99,626% Al. Одновременно с этим из фильтр остатков получена алюминиевомарганцевая лигатура состава: 21,1% Mn, 74,5% Al, 3,9% Si и 0,45% Fe. Эта лигатура может применяться при рафинировании силуминовых сплавов от железа и в других целях.
В заключение необходимо указать на принципиальную возможность извлечения чистого алюминия из первичного сплава субфторидным и субхлоридным способами. Так же как и при рафинировании алюминия (см выше), здесь осуществляется дистилляция алюминия в форме летучих субгалогенидов (AlF, А1С1), распадающихся при охлаждении с выделением чистого металла. Целесообразно первичный сплав подвергать предварительной фильтрации при 600—630° с целью выделения сплава, обогащенного алюминием (с содержанием 16—20%) Из этого сплава затем дистиллировать алюминий в форме субгалогенидов до повышения содержания кремния в исходном сплаве примерно до 50% Этот последний далее вновь подвергать фильтрации совместно с новыми порциями первичного электротермического алюминиевокремниевого сплава. В результате первичный сплав перерабатывается на чистый кондиционный алюминий и ценный фильтр-остаток.
Описанный процесс не вышел пока из области экспериментальных исследований, причем основная задача, которую здесь надлежит разрешить, — создание высокопроизводительного непрерывно действующего дистилляционного аппарата из материала достаточно стойкого по отношению к химически активным субгалогенидам алюминия.
По имеющимся литературным данным, разработке субхлоридного способа получения алюминия из первичных алюминиевокремниевых сплавов уделяется значительное внимание в Англии и Канаде.
Электротермические способы получения алюминия и его сплавов разрабатываются также и в других странах. Во Франции, в частности, имеется опытный цех для получения алюминия по так называемому карбидотермическому способу.