Технология производства силикоалюминия

Сплавы алюминия с кремнием (общее название силумины) широко используются для получения отливок различного функционального назначения. В мировой практике эти сплавы получают сплавлением электролитического алюминия с чистым кремнием. Для получения алюминия из технического глинозема необходимо, прежде всего, наличие высококачественных бокситов (с содержанием SiO₂ не более 2-3%) и большой удельный расход химических реагентов (NaOH) и электрической энергии (~16000 кВт×ч/т алюминия). Вместе с тем, в природе распространены породы, содержащие Al₂O₃ и SiO₂ в химически связанном виде.

В 60-х годах в СССР была разработана электрометаллургическая технология выплавки алюминиево-кремниевого сплава (60% Al + 40% Si) и реализована в промышленных условиях на Днепровском алюминиевом заводе (ДАЗ), ныне Запорожский производственный алюминиевый комбинат (ОАО «ЗАлК») (рис. 15.7).

Сущность технологии состоит в совместном восстановлении алюминия и кремния из оксидов Al₂O₃ и SiO₂ углеродом. Шихта состоит из дистен-силлиманитового концентрата (Al₂O₃∙SiO₂), технического глинозема (Al₂O₃), каолина (Al₂O₃×2SiO₂×2Н₂O) и углеродистого восстановителя.

Каолин представлен, в основном, минералами каолинитом, который состоит из окиси алюминия, кремнезема и воды, его химическая формула Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O. Этот минерал имеет химсостав, %: 39,5 Al₂O₃; 46,6 SiO₂ и 13,9 Н₂О.

Для производства силумина используется каолин Просяновского месторождения (Украина) сухого обогащения марок КЗС-37, КЗС-36, КЗС-35 (табл. 15.1).

Рис. 15.7. Технологическая схема получения сплава алюминия с кремнием электротермическим способом:

1 – насос пневмовинтовой; 2 – силосной склад каолина, дистена–силлиманита; 3 – дробилка щековая; 4 – дробилка молотковая;

5 – мельница шахтная с аэрозагрузкой; 6 – бункер; 7 – дозатор;

8 – шнек; 9 – смеситель; 10 – дозатор щелевой; 11–13 – мешалки; 14 – сушило; 15 – пресс; 16 – бункер; 17 – питатель золотниковый;

18 – печь рудовосстановительная; 19 – рафинирование первичного сплава; 20 – миксер; 21 – печь вакуумфильтровальная; 22 – конвейер литейный; 23 – печь газовая

Таблица 15.1. Физико-химические свойства каолина (по ГОСТ 20080-74)

Глинозем технический состоит из полиминеральной смеси различных модификаций Al₂O₃, из которых наиболее высокотемпературной модификацией является a-Al₂O₃. Используется глинозем металлургический марки Г0, Г00, Г000 по ГОСТу 30558-98.

Массовую долю оксида алюминия определяют по разности 100% и суммы массовых долей примесей (табл. 15.2) и потери массы при прокаливании

Таблица 15.2.Физико-химические свойства глинозема металлургического, %

Дистен-силлиманитовый концентрат (ДСК) представлен двумя основными минералами – дистеном (65%) и силлиманитом (30%), отличающихся кристаллической структурой и имеющих одну химическую формулу Al₂O₃∙SiO₂ (62,96% Al₂O₃ и 37,04% SiO₂).

Дистен-силлиманитовый концентрат марки КДЗС (зернистый) получают на Верхнеднепровском горно-металлургическом комбинате как побочный продукт при переработке титано-цирконовых песков (табл. 15.3).

Таблица 15.3. Физико-химические свойства дистен-силлиманитового концентрата

Для корректировки шихты по ходу плавки брикетов в рудовосстановительной дуговой электропечи используют кварцит (98% кварца) Баничского месторождения (по ТУ У-14-10-007-97) (табл. 15.4).

Таблица 15.4. Физико-химические свойства кварцита

В качестве восстановителя применяют газоугольный концентрат в смеси с нефтяным коксом. Концентрат получают при механическом обогащении молодых газовых углей Донбасса с высоким содержанием летучих веществ (32–38%). Этот концентрат характеризуется низким содержанием золы и Fe₂O₃ в составе золы (табл. 15.5).

Пыль газоугольного концентрата по степени воздействия на организм относится к 4 классу опасности, ПДК – 6,0 мг/м³; по опасности воспламенения и взрыва в помещениях, относится к IV классу опасности группы «Б». Может тлеть, самовозгораться. При концентрациях от 30 до 2000 г/м³ и наличия источника огня, пыль взрывоопасна.

Температура тления при самовозгорании пыли с размером частиц 50–100 мкм 150–250^оС. Температура самовоспламенения – 410^оС.

Нефтяной кокс марки – КЗА является продуктом медленного коксования при температуре 580–700^оС остаточных продуктов, получаемых при переработке нефти по ГОСТ 22898-78 и марок КС-0, КС-5 по ТУ У 00152230020-97.

Эти компоненты подвергаются брикетированию с использованием лигносульфоната* (табл. 15.6). После сушки брикеты подвергаются восстановительной электроплавке в

_____________________

*Лигносульфонат (сульфито-спиртовая барда) – побочный продукт получения целлюлозы сульфитной варки древесины.

открытых рудовосстановительных трехэлектродных электропечах, работающих на переменном токе. Процесс ведется непрерывно, с погруженными в шихту рабочими концами самообжигающихся электродов диаметром 1200 мм каждый. Номинальная мощность группы печных трансформаторов 16,5 МВ×А (5,5 х 3).

Таблица 15.5.Физико-химические свойства газоугольного концентрата

Таблица 15.6. Физико-химические свойства лигносульфатов технических (ЛСТ)

В общем химизм процесса можно представить балансовой реакцией

Al₂O₃ + SiO₂ + 2C = Al + Si + 2CO.

Реально процесс проходит с образованием промежуточных соединений SiO_газ, SiC, Al₄О₄C, Al₂OC, Al₄C₃, что значительно усложняет выбор рациональных электрических и технологических параметров работы печи.

Силикоалюминий выпускают в ковш с одновременным рафинированием его от шлака при помощи легкоплавких флюсов. Выпускаемый из печи первичный рафинированный алюминиево-кремниевый сплав имеет следующий химический состав, %:

Шлак имеет гетерогенный состав и включает корольки сплава, оксидную и карбидную части. Этот шлак используют в сталеплавильном производстве в качестве раскислителя. Рафинированный в ковше силикоалюминий в дальнейшем подвергают металлургическому переделу с целью получения литейных сплавов широкого сортамента. С этой целью сплав разбавляют жидким электролитическим алюминием. При этом понижается температура сплава, снижается растворимость примесных металлов (Fe, Ti, Zr, Ca) с образованием твердых интерметаллидов. Путем фильтрации жидкий сплав очищают от интерметаллидов и затем разливают его в слитки. Освоен ряд литейных сплавов: АК7М3Ц2, АКМ3Ц2Мг, АК7М2,5МгМн* и др., которые используются для отливки деталей машин автотранспорта и автомобильной промышленности.

_________________

* Условные обозначения металлов в маркировке литейных сплавов: А – Al; К – Si; M – Cu; Ц – Zn; Мг – Mg; Н – Ni.