СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СИЛУМИНА Российский патент 1996 года по МПК C25C3/36 

Изобретение относится к производству алюминиево-кремниевых сплавов.

Известен способ производства силумина сплава алюминия с кремнием, включающий расплавление смеси исходных компонентов (алюминия и кремния) и кристаллизацию полученного сплава [1] В большинстве случаев чистый кремний заменяют на алюминий-кремниевую лигатуру для снижения температуры плавления и более быстрого проведения процесса растворения кремния в алюминии. Недостатком способа является дороговизна чистых исходных продуктов алюминия и кремния. Налицо имеется противоречие, заключающееся в том, что в природе, как правило, кремний и алюминий сосуществуют в одном виде сырья, например в бокситовых рудах, затем их разделяют сложными методами, а по получении чистых материалов вновь смешивают.

Более целесообразным является производство силумина методом электротермии [2] который и выбран в качестве прототипа. По нему нагревают алюминий-кремнесодержащее сырье, проводят совместное восстановление алюминия и кремния и кристаллизацию расплава. Восстановление осуществляется углеродистыми восстановителями (углем, торфом и др.). В качестве алюминий-кремнесодержащего сырья применяют каолины, кианиты, андалузиты, силлиманиты и другие полезные ископаемые [2, с.492, 496] Способ основан на том, что восстановление углеродом кремния протекает при более низких температурах, чем алюминия, а восстановленный кремний является восстановителем, теперь уже по отношению к алюминию [2, с. 488] Кроме того, обеспечивается совместное восстановление карбида алюминия и двуокиси кремния с образованием чистых материалов - алюминия и кремния и окиси углерода [2, c.478] Недостатком способа-прототипа является необходимость разработки полезных ископаемых (алюминий-кремнесодержащего сырья), следствием чего является, с одной стороны, повышение затрат на производство Al-Si-сплавов, с другой нарушение экологического равновесия в природе.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение состояния экологической обстановки, а также снижение затрат на производство алюминиево-кремниевых сплавов путем вовлечения в сырьевую базу отходов производства.

Указанная цель достигается тем, что в качестве алюминий-кремнесодержащего сырья используют золу, образующуюся после сжигания бурых углей, а восстановление полученного тонкодисперсного сырья осуществляют в электролизере с присутствием криолита. Сущность изобретения заключается в том, что основными компонентами золы после сжигания бурых углей являются глинозем (до 40%) и кремнезем (до 50%) [3] В настоящее время именно ТЭЦ, работающие на бурых углях, как правило, вырабатывают электроэнергию для электролиза алюминия, выбрасывая золу в отвалы, накапливающиеся в больших количествах вокруг территории и загрязняющие окружающую среду. Эти отвалы могут обеспечить сырьем алюминиевые заводы, что окажет благоприятное воздействие и на экологию.

Имеющиеся в золе примеси не являются вредными для всех марок силуминов. Так, например, для деформируемого силуминового сплава АК4 железо в количестве 0,8-1,8% является не вредной примесью, а легирующей добавкой [4] Для литейных силуминов и сплавов для лигатур допускаются значительные колебания химического состава. Стоимость золы как сырья определяется ценой транспортировки и не идет ни в какое сравнение со стоимостью глинозема, получаемого таким сложным и многоступенчатым способом, как метод Байера.

Как уже отмечалось, отвалы крупных ТЭЦ часто соседствуют с алюминиевыми заводами, обладающими электролизными установками. Поэтому целесообразно восстановление алюминия и кремния из золы проводить в электролизерах, используя криолитовый расплав в качестве электролита.

Заявителем установлено, что наиболее целесообразным является диапазон возможных добавок золы в пределах 0,5-80% к общей массе сырья, содержащего окислы алюминия и кремния. Верхняя граница 80% обусловлена тем, что при ее превышении эффективность восстановления кремния резко уменьшается из-за образования корочки кремния на электроде. Нижняя граница 0,5% обусловлена тем, что затраты на транспортные и организационные мероприятия, связанные с доставкой и добавлением золы, перекрывают эффект от ее применения.

Пример 1. Получение алюминий-кремниевого сплава проводили в герметичном лабораторном электролизере, представляющем собой стальную реторту с водоохлаждаемой крышкой, к которой крепился на подвесах тигель-катод из графита. Анод изготовлен из графитового стержня с вольфрамовым наконечником, служащим токопроводом. Электролиз проводился в атмосфере анодных газов. Перед началом электролиза пространство ячейки продували углекислым газом для удаления кислорода. Исходным электролитом служил криолитовый расплав, питаемый шихтой до золы ТЭЦ и глинозема. Зола Богословской ТЭЦ имеет следующий химический состав: Al₂O₃ 35,1% SiO₂ 45,9% Fe₂O₂ 5,1% CaO 5,2% Электролиз проводили при 1000^oC при силе тока 15 А в течение 36 ч. Температура расплава поддерживалась за счет внешнего обогрева селитовыми стержнями с точностью ± 5^oC. После окончания электролиза контейнер с электролитом и металлом на дне вынимали на подвесах и содержимое выливали в расплавленном виде в изложницу для охлаждения. Слиток дробили для отделения металлической фазы от электролита и проводили химический анализ полученного металла. Результаты опытов представлены в таблице.

Из таблицы видно, что содержание кремния в сплаве увеличивается пропорционально увеличению добавки золы в электролит. Однако при превышении массовой доли золы 80% содержание кремния перестает увеличиваться. Причиной этого является блокирование электрода корочкой кремния и прекращение реакции. Нижняя граница добавки золы установлена 0,5% поскольку при меньшей добавке организационные и транспортные расходы, связанные с добавкой золы, ее подготовкой и хранением, перекрывают эффект от ее применения в качестве легирующего материала. Таким образом, минимальная добавка золы к общему количеству сырья не должна быть меньше 0,5% а максимальная не должна быть больше 80% что и отражено в формуле изобретения.

Пример 2. На одном из электролизеров Богословского алюминиевого завода был проведен промышленный эксперимент предлагаемого технического решения. Золу Богословской ТЭЦ указанного в примере 1 химического состава добавляли в электролизер. Отношение золы и глинозема по отношению к общей массе электролита составляло около 3% В результате электролиза было отмечено повышение температуры электролита с 960 до 1000^oC и увеличение рабочего напряжения с 4,4 до 4,8 В. Содержание кремния в сплаве колебалось в пределах 0,9-1,1% содержание железа 0,12-0,30%
Эффективность предлагаемого способа определяется снижением затрат на производство алюминий-кремниевых сплавов при использовании золы в качестве исходного сырья. В 1 т золе содержится 351 кг глинозема и 214 кг кремния. При получении сплава в электролизере увеличивается удельный расход электроэнергии на 1,2 мгВт-час. С учетом затрат на транспортировку золы экономия от использования 1 т золы составит:
Э 0,351•85954,9 + 0,214•361586,2 1,2•7357,7 1200 97520 руб.

где 85954,9 стоимость 1 т глинозема, руб. (в ценах на 01.07.93);
361586,2 стоимость 1 т кремния, руб.

7357,7 стоимость 1 мгВт-часа электроэнергии постоянного тока, руб.

1200 стоимость 1 т золы (расходы по транспортировке), руб.

Источники информации
1. Фарбман С. А. Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. М. Металлургия, 1968, с.428.

2. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М. Металлургия, 1971, с.455.

3. Лайнер А.И. Производство глинозема. М. Металлургиздат, 1961, с.28.

4. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник. М. Металлургия, 1974, с.429. ТТТ1

Использование: производство алюминиево-кремниевых сплавов. Цель изобретения - вовлечение в сырьевую базу для производства силуминов электролитическим способом отходов производства и снижение затрат на их производство. Сущность: в качестве алюминий-кремнийсодержащего сырья используют золу ТЭЦ, образующуся после сжигания бурых углей, а восстановление полученного тонкодисперсного сырья осуществляют в электролизере в присутствии криолита. Добавку золы производят в пределах 0,5-80 мас.% от общего количества сырья, содержащего окислы алюминия и кремния. Имеющиеся в золе примеси не являются вредными для всех марок силуминов, а железо в количестве 0,8-1,3% является легирующей добавкой для деформируемого силуминового сплава АКЧ. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ производства силумина, включающий электролиз алюминий-кремнийсодержащего сырья в расплаве криолита, отличающийся тем, что в качестве сырья используют золу тепловых электроцентралей после сжигания бурых углей. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют золу в количестве 0,5 80,0 мас. от общего количества алюминий-кремнийсодержащего сырья.